Батарейка из монеток и фольги: мифы и реальность

Сбылась мечта идиота: я наконец-то собрал первые батарейки из монеток. И вот что из этого получилось. Чисто развлекательное чтиво про наколенные эксперименты.

Изначальная идея

Много лет собирался сделать батарейку из монеток, да все руки не доходили. И вот дошли.

У жены есть банка с монетками из СССР. Зачем это было собрано — неизвестно, но не выбрасывать же… Больше всего оказалось монеток 5 коп. (~120 шт.). А в ящике стола уже несколько лет валялась туба от шипучих мультивитаминов, идеально подходящая по внутреннему диаметру под 5 коп. — входят свободно, даже есть небольшой зазор (1-2 мм). Зазор нужен для того, чтобы протянуть проводок от нижней монеты к крышке, где планировалось сделать 2 токовых вывода.

В тубу влезает 90 монеток, с запасом под заглубляющуюся крышку тубы.

Масса советского пятака (в идеальном сохране) 5.00±0.01 г. Туба без крышки — 13.9 г.

(466.3-13.9)/5.00=90.5 Откуда нарисовались еще пол-монеты? Все просто — на поверхности продукты окисления и следы от пальцев. Вот смотрите, масса 100 монет, измеренная двумя способами:

В первом случае было проведено обычное взвешивание: на включенные весы добавлялись монеты.

Во втором — обратное взвешивание: на выключенные весы добавлялись монеты. Потом весы включались, а монеты убирались. В первом случае «появились» 0.50 монеты, а во втором — 0.44…:)

Понятно, что в проектируемой батарее 90 пятаков не будет. Ибо часть объема уйдет на другие монеты (или круглые пластины) с отличающимся потенциалом, а часть — на прокладки, пропитанные электролитом. Но об этом — в следующем разделе.

Вольтов столб

Про вольтов столб

Все статьи-обзоры в тырнетах про батарейки из монеток так или иначе сводятся к вольтову столбу:

Тут все очень просто:

1 — один гальванический элемент (ячейка)

2 — менее активный металл/сплав

6 — более активный металл/сплав

5 — прокладка, пропитанная электролитом

3 — анод батареи

4 — катод батареи

Нетрудно заметить, что ячейки соединены последовательно. Ежу понятно, что их разности потенциалов складываются U(батареи)= U₁ + U₂ + U₃ +… А ток I для всех общий.

Потенциалы монеток

На фото ниже — 4 монеты советских времен и 1 кусочек пищевой алюминиевой фольги, сложенный вчетверо (изначально был квадратным). Толщина фольги по моей оценке всего лишь 12.5 мкм, далее это будет важно:

Замер толщины фольги. 64 сложения, замеры по центру. 800/64=12.5 мкм

Образцы лежат на вискозной впитывающей салфетке, спертой с кухни. Салфетка пропитана р-ром NaCl (1 ч.л. на 50 мл Н₂О).

Как известно, абсолютное значение любого потенциала (в т.ч. и электрического) измерить нельзя. Но можно измерить ихние разности. «Не продается вдохновенье, но можно рукопись продать…»© АСП

Фото замеров

Электрохимический потенциал монеты в основном определяется материалом, из которого она сделана, правда он зависит еще от кой-чего (по ур. Нернста).

уравнение Нернста

В этом уравнении материал электрода определяет величину «стандартного» значения потенциала Е°, находящегося в контакте с электролитом***.

При сравнении потенциалов монет, находящихся при одинаковых условиях и контактирующих с одним и тем же электролитом, второе слагаемое можно не учитывать (ввиду его относительной малости).

Про «медь» и «серебро»

У нас в быту металлическую мелочь принято делить на «медь» и «серебро». Но это было обосновано только до начала 30-х годов.

Из чего сделаны монетки, для которых померены разности потенциалов

5 коп. (1991) — латунь марки ЛМц 58-2, состав: 58% Cu, 40% Zn, 2% Mg. источник

20 коп. (1991) — из какого-то сплава медь-никель. ТЫЦ

1 рубль (юбилейный) — никелевая бронза (сплав медь-олово-никель), состав неизвестен.ТЫЦ

10 Pfennig ГДР (1971) — везде написано, что «алюминий», в реале — некий алюминиевый сплав. И это очевидно. Вот смотрите: пищевая фольга делается из весьма чистого алюминия (≥99 % Al, ГОСТ 745-2014). А между 10 Pf и фольгой есть заметная разность потенциалов. Что нам (бравым электрохимикам) таки намекает, что материалы там явно разные;).

Токи

Замеры сделаны бестолково, расстояние между парами монет должно было быть одинаковым. Но, несмотря ни на что, результат весьма показателен:

Юбилейный рубль был перемещен на кружок из фольги на предмет использования в качестве токового коллектора (для эффективного прижима фольги к соленой салфетке и непротыкабельности оной щупом).

Фото замеров

Предварительные выводы №1

1) Использование «медных» и «серебряных» монеток выпусков после начала 30-х (включая нонешние) для создания гальвано-пар бесперспективно. Их ЭХ потенциалы отличаются крайне мало. Автор замерял на образцах монет с годами выпуска от 1961 до 2010-х.

4) Имеет смысл попробовать, что собой представляют вольтовы столбы с использованием алюминиевой фольги. Тем паче, что на Ютьюбе куча роликов про это. Все делается легко и просто. И у всех все получается.

Батарейка из 5 ячеек

6 монеток, 5 кружков фольги, 5 прокладок. «Лишняя» шестая монетка выполняет роль токового коллектора для крайнего левого кружка фольги.

Монетки промывались Фейри, на них накладывалась фольга и плотно прижималась. Потом накладывались сухие салфетки и по каплям смачивались соляным р-ром.

Потом была собрана батарея по схеме выше. Для удобства замеров все было стянуто резинкой.

Сразу после сборки — напряжение и ток с состоянии КЗ через мультиметр***:

***Суммарное сопротивление щупов 64 мОм, внутренним сопр. амперметра можно пренебречь

Первые 10-15 мин напряжение и сила тока плавно уменьшались, потом стабилизировались минут на 10-15. А потом началось нечто странное: то и другое начало расти.

Вот, через 2 часа:

А вот график изменения силы тока (после 8 часов я просто заснул — было за полночь).

Напряжение я особо не контролировал, при пиковых значениях силы тока оно было ~ 2В.

Через 16 часов КЗ ток ушел почти в ноль:

Неполное вскрытие:

Со стороны алюминия пока ничего не отделялось.

Прокладки оказались почти полностью обезвожены, т.к. вода используется в процессе ЭХ окисления алюминия. Они были опять пропитаны солевым р-ром, элемент был собран и поступил на измерения.

Но это оказалось напрасно, ничего не изменилось. Фарш невозможно провернуть назад, т.к. алюминиевые аноды скорее всего полностью разрушены и растворились еще до того.

Полное вскрытие подтвердило это незамысловатое предположение. Фото катодов и прокладок со стороны алюминиевой фольги (там, где она была изначально):

Ну и где та фольга?:)

Предварительные выводы №2

1) Батарея из пятаков и алюминиевой фольги работает. Но относительно не долго — всего несколько часов.

3) Не исключено, что кроме анодного окисления алюминия, весьма активно протекает еще один процесс — коррозия в растворе NaCl***. И этот момент следует проверить.

«Неправильная батарейка» для оценки интенсивности протекания ЭХ коррозии в соляном р-ре

Забавно, но эта штука обладает св-вами гальванической батареи. Правда, сила тока КЗ смешная. Через 15-20 минут после сборки, когда уже все устаканилось:

Потом эта сборка тихо пролежала около суток (без КЗ). Вскрытие:

Несмотря на то, что времени прошло раза в полтора больше, чем в предыдущем случае, нерастворившейся фольги осталось заметно больше. Т.к. анодного р-рения алюминия не происходило. Но коррозия-таки протекала.

Предварительные выводы №3

1) Фольга подвергается ЭХ коррозии в водном р-ре соли даже если нагрузка не подключена.

3) Использование фольги из алюминия (или любого другого активного металла) бесперспективно. Даже если фольга будет толще в несколько раз.

Ячейка 5 коп. // 10 Pf.

Если есть хотя бы одна монетка из активного материала, то почему бы не попробовать?

Начало:

Тут контролировал и силу тока и напряжение.

После 9 часов КЗ разобрал ячейку, электролит опять «высох»

Я смочил прокладку, собрал ячейку и все пошло по накатанной: первые минуты ток уменьшается, потом начинает расти. На втором часе мне это стало совсем неинтересно, ибо развитие событий было предсказуемо.

И тут вспомнил — уже несколько раз собирался замерить импеданс, еще когда возился с батареей из 5 ячеек…

Вам кажется, что «нутряное сопротивление» ваших батареек шибко большое? Тогда мы идем к вам. ©

А это «рабочие» стороны монеток после отмачивания в воде, промывке в уксусе (25%) без нагревания*** и оттирания туалетной бумагой.

***Прим. Алюминий обладает достаточно высокой стойкостью к воздействию уксусной кислоты любых концентраций, если температура не превышает 65°С.

Темное пятно с пятака снято почти полностью. Скорее всего это был мелкодисперсный алюминий, но не чистый, а подокисленный. Порошки металлов и сплавов в очень мелких порошках практически всегда черные. Правда, в книжках пишут, что в зависимости от степени дисперсности цвет может меняться. Но я такого никогда не наблюдал.

А немецкой монете уже ничего не поможет — деградация поверхности за счет селективного травления, однако.

Предварительные выводы №4

1) Максимумы напряжения и тока не совпадают. Но это нормально. Ибо это две разные ипостаси. Напряжение определяется разностью потенциалов в гальвано-паре [граница раздела электрод1-электролит] || [граница раздела электрод2-электролит]. А предельный ток зависит как от разности потенциалов электродов, так и от площади поверхности электрода, протекание реакций на котором лимитирует скорость ЭХ реакции в целом. По-простому: напряжение уже начало уменьшаться, а деградация алюминия (с увеличением площади поверхности) продолжает нарастать.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Насчет выводов — пробежитесь по предварительным №№1-4. Я их выделил жирным. Просто не хочется повторяться.

2. Задуманную батарею я так и не сделал. Но получен большой практический опыт. И теперь более-менее представляю что делать и из чего. Осталось только решить 3 проблемы:

— найти кружки из активного металла

— придумать методику крепежа проводов-токоотводов к крайним электродам

— понять зачем все это нужно, если максимальный ток на выходе — единицы миллиампер и нужно регулярно смачивать прокладки водой по отдельности?

3. Заодно прикиньте, когда вы покупаете в фикс-прайсе копеечные батарейки: сколько сил, времени и мозгов вложено в их разработку и отладку тех. процессов для массового производства?:)

Всего доброго.

Сообщения об опечатках-ошибках пишите прямо сюда, в комменты. Спасибо за понимание.