✧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:

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

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

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.
2) В качестве анодов для гальвано-пар подходят монеты из активных металлов (типа алюминий и его сплавы, магний и его сплавы, относительно чистый цинк и т.п.), но в РФ/СССР такое никогда не делалось.
3) У меня только одна монетка из алюминиевого сплава (10 Pfennig ГДР), а нужно куда как больше, в идеале — несколько десятков.
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***:

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.
2) При этом наблюдаются 2 явления.
а) Происходит разрушение фольги вплоть до практически полного растворения в электролите
б) «Высыхание» р-ра электролита, т.к. в процессе окисления алюминия на аноде расходуется вода
Al + H₂O + O₂ → Al⁺³ + OH⁻ + e⁻
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.
2) Даже неработающая батарея на фольге течении суток придет в негодность.
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.
2) Несколько напрягает наличие на катоде черного осадка. Если это алюминий (пусть даже и подокисленный), то это в перспективе должно снижать ЭДС гальвано-пары и ухудшать мощностные характеристики (начиная с максимально возможного тока — КЗ). Но это только предположения.
3) Печалит необходимость регулярной подпитки прокладок водой. Если это одиночный элемент, то нет проблем — просто помещается в емкость соляным раствором. В случае вольтова столба нужно подпитывать каждую прокладку индивидуально. Во избежание замыканий ячеек внутри батареи.
Если верить приданию, самый большой вольтов столб состоял из 4200 ячеек. Можно только удивляться энтузиазму ребят, которые этого монстра обслуживали.:)

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.