[翻译]一摞硬币做电池？20枚10便士硬币就够啦！

[i=s] 本帖最后由 shangui0237 于 2016-10-18 14:10 编辑

[写在前面]
[instructables.com是外国一家手工DIY社区，集中了相当多的DIY大神，在下每天没事的时候会去逛逛；但是独乐乐不如众乐乐，翻译&搬运一些他们的作品，看看世界上的学习者都在干什么，岂不美哉]
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[原作者：FerriteGiant]
[翻译：山鬼]

成品图：
[img=620,531]https://cdn.instructables.com/FDW/TGG8/ITV5AQ93/FDWTGG8ITV5AQ93.MEDIUM.jpg[/img]

这个版本的电池设计可以追溯到Alessandro Volta于1799年设计的伏打电堆（译者按：这就是最早的直流电源的样子哦）。这里将展示两种不同的版本，他们使用不同的阳极材料。图中我展示的是五个电池组成的电池组，但是在下面教程中展示的将会是10个电池组成的电池组。
在以前别人发的教程中对实际制作的部分已经作了相当多的描述了，但是他们都没有对这种电池的参数和设计进行描述，这篇教程将会在这两个方面都有建树：）

材料清单

10枚铜便士 （1982年前发行）
铝箔（如果你使用上面那种硬币作为阳极材料）
10枚镀锌铜硬币（1982年后发行）
打磨机或者砂纸（如果你使用上那种硬币作为阳极材料）
被切成硬币大小的纸板（就是箱子上切下来的瓦楞纸板）
3D打印外壳（也可以是其他支架，当然用橡皮筋固定也可以）
连接电极用的电线
焊料（锡线）
焊剂（松香或者助焊剂什么的）
烙铁
万用表
白醋
盐

[i=s] 本帖最后由 shangui0237 于 2016-10-18 14:14 编辑

第一步 3D打印电池盒
（每次逛社区的时候都能感受到老外那种无与伦比的行动力..）

设计的时候是这样子：

做完之后是这样子：
[img=740,730]https://cdn.instructables.com/FN8/99UL/ITV5AQ8N/FN899ULITV5AQ8N.LARGE.jpg[/img]
你可以在下面这个地址获取到设计好的.stl文件
[font=&quot][size=17px]http://www.thingiverse.com/thing:1798322

这里的横梁是为了将便士们保持在一起，当然你需要给他打磨一下，来让它滑过保持器中的凹口

[i=s] 本帖最后由 shangui0237 于 2016-10-18 15:21 编辑

第二步 准备电极


我试过两种不同的材料来作为电池的阳极电池，也就是铝和锌，他们将放出电子而成为电池的负极。阴极我选择的材料是铜，它将作为电池的正极。在我的实验中，我发现铝和铜的电势差大约为0.58伏，而在锌和铜之间电势差达到了0.9-1.0伏特。显然锌是更好的材料，但是铝更容易在生活中获取到。你可以在厨房里找到铝箔。（其他材料组合产生的电压见附录2）

接下来是准备铝阳极。折叠一条铝箔几次，直到你获得一个和硬币差不多宽的铝条；将这个铝条切开成一个一个的小正方形，然后再将正方形的角剪掉，差不多是个八角形（误，当然是越圆越好）。剥掉电线末端的一段绝缘皮，将裸线扭成环状，然后将我们前面铝箔的表面打磨打磨，一个阳极就做好了~
（焊接基本上不太能焊上去，原因的话大家可以想一想）
[img=620,463]https://cdn.instructables.com/FF1/3010/ITV5AQ94/FF13010ITV5AQ94.MEDIUM.jpg[/img]



如果你要使用锌作阳极，你需要取得发行于1983年之后的10便士硬币（或者美国1分的硬币）。1983年美国铸币局开始大量制造廉价的锌镀铜硬币。用打磨机或是砂纸打磨硬币一侧的铜（不需要打磨的很完美）。将电线用锡焊到没有打磨的那一面上，把铜表面的氧化层去掉可以让这一步变得简单，助焊剂同样必不可少。这个硬币将是这一摞硬币中最下面那一个。
[img=620,372]https://cdn.instructables.com/FSK/W9PM/ITV5AQ9U/FSKW9PMITV5AQ9U.MEDIUM.jpg[/img]
[img=620,372]https://cdn.instructables.com/FC1/SHPP/ITV5AQ9V/FC1SHPPITV5AQ9V.MEDIUM.jpg[/img]

如果要准备铜阴极，我们需要1981年之前铸币局制造的1分铜硬币（因为1982年铸币局做了两种类型的1分钱硬币，所以避开那一年（喂1982年的特殊硬币现在拿出来卖可是很贵的啊 ！！））把电线焊在其中的一个上面，这个硬币将作为最上面的那个硬币

[i=s] 本帖最后由 shangui0237 于 2016-10-18 15:21 编辑

第三步 准备电解质溶液垫

准备5%的白醋和几勺盐做成电解质溶液混合物，然后切五块比1分硬币稍小的纸板，纸板将会放在每层之间，但是纸板必须仅接触正上方和正下方的电极层，而且必须足够厚使得电极之间不能互相接触。

[img=620,372]https://cdn.instructables.com/FXQ/QMUQ/ITV5AQ8M/FXQQMUQITV5AQ8M.MEDIUM.jpg[/img]

向玻璃杯之间放入前面准备的醋和盐，混合好之后将前面切好的纸板放入溶液中浸泡一两分钟，最后将这些纸板按前面的排列方式放入电池中。

如果你用的是铝阳极，则要特别注意，如果铝片太小了的话会让纸片越过铝直接和铜接触。这需要特别避免。

[i=s] 本帖最后由 shangui0237 于 2016-10-18 16:37 编辑

[img=620,315]https://cdn.instructables.com/FT5/CGFY/ITV5AQAV/FT5CGFYITV5AQAV.MEDIUM.jpg[/img]
铝-铜电池
每个电池的电压为约0.58伏。我们一共用了10个硬币，最后得到5.8伏，几乎刚好是电压表测量的总输出。



锌-铜电池
 每个电池的电压在0.9和1伏之间， 9.4伏特的输出在该范围内。

[i=s] 本帖最后由 shangui0237 于 2016-10-18 19:40 编辑

电池放置一段时间之后的恢复
上面提到的电压电压只能持续一天左右，然后会下降。我们可以将整个东西泡进电解质溶液，让它浸泡一会儿，来恢复电压。在图片中看到的是锌和铜的版本。当电池整体浸没在电解质中时，等效于并联的10个电池，因此其仅产生0.97伏特，但是内阻将低得多。

把电池拉出来之后沥干，就又可以用了。

[i=s] 本帖最后由 shangui0237 于 2016-10-18 19:41 编辑

现在我们已经做好了一个电池，想知道它有怎样的特性。这就将是我最喜欢的部分，制作图表！

如果你使用10枚铜硬币和铝箔制造电池，你应该测量到大约5 - 6伏的总串联电压。如果你使用锌和铜（总共20美分硬币），你应该测量到9和10伏之间的值。但是如果你试图用它来为某些东西供电，同时测量电压，你会注意到电压迅速下降。这是由于电池中每个电池的内阻增大引起的。
[img=620,342]https://cdn.instructables.com/FKC/HI5R/IU9ULJ9M/FKCHI5RIU9ULJ9M.MEDIUM.jpg[/img]
我们可以认为电池是一个与电阻串联的理想电压源，如第一张图所示。（理想电压源是其中电压在负载变化时不变化的电压源）。如果我们用万用表测量“开路”电压，这给出了这个理想电压的非常好的近似值，因为在这种模式下，通过的电流非常小。

为了找到这个内部电阻值，我们需要确定各种电流下该电阻上的压降。如果我们测量开路电压为10伏，加载10毫安的电流后我们测量到9伏的电压，这意味着内部电阻上有1伏的压降。根据欧姆定律，我们可以确定

R = V / I = 1 / 10e-3 = 100欧姆。

当然我们现在不只是一次测量的结果，我们要采取几个线性拟合的结果数据集的电压降对电流。由于V = IR是一个线性方程，最佳拟合线的斜率也就是我们想得到的内部电阻。[img=620,459]https://cdn.instructables.com/FQV/UEFD/IU9ULJ8C/FQVUEFDIU9ULJ8C.MEDIUM.jpg[/img]



如图，我们获取到了5个不同的数据集。这里有一些有趣的事情要注意。

看看顶部两行（橙色和绿色）之间的差异。这些显示了当向食醋中添加盐时所产生的差异，其结果是内阻大约减少3倍。

比较蓝色和绿色（都使用铜和铝），显示串联添加电池确实导致内阻近似线性增加。 （换句话说，每个电池具有约1k欧姆的内部电阻，4个电池组合产生4和5k欧姆左右，而10在一起产生10-11k欧姆）。

比较绿色（10个Cu和Al电池）和紫色（10个Cu和Zn电池），我们看到Zn电极不仅增加总电压，而且使内部电阻降低到使用Al时的约五分之三。

黄线表示当整个电池浸入电解质溶液中时发生了什么，有效地将所有电池并联连接。或者我们可以认为它是一个单元格，具有10倍的电极表面积。这导致内部电阻20倍的减小了，尽管当然最大电压仅为0.6-0.7伏。我对这种减少的预期电阻值大约的十分之一，但是这里减少的更多，如果你有更好的解释，请联系我

最重要的是，在任何环境中，该电池的内阻真的非常非常大。

[i=s] 本帖最后由 shangui0237 于 2016-10-18 17:23 编辑

附录：如何用钱给你的手机充电（正如字面意义上的）

正如我们在前面图表分析部分所看到的，9 - 10 V版本的电池不能提供任何接近手机充电电压的电压即使只提供几十毫安的电流的情况下。那么问题来了，如果要实际使用这些来为手机供电，我们需要并连多少这样的电池？

我们知道一个手机充电器需要5伏的电压。 设“a”为所需串联的电池数量（也称为多少电池组成单个“电池”），设“b”为并联连接的电池的数量。

这里采用Zn版本的电池，它具有较低的内阻（虽然它需要两倍的硬币）。

定义一些变量

a =串联电池数量
b =并联连接的电池数量
Vc =单电池开路电压= 9.48 / 10 = 0.948伏
Ic =单电池电流
Rc =单电池内阻=约6400/10 = 640欧姆
Vp =负载电压= 5V
Ip =负载电流，USB 2.0标准是500 mA，

所以让我们从电压环规则看单个电池和负载我们有下式：

a *（Vc-Rc * Ic）-Vp = 0

又因为Ip = b * Ic

可以得到方程
b =（Rc * Ip）/（Vc-Vp / a）

所以现在我们有一个关于电池数量的方程，我们可以看到，当每个串联电池由10个电池组成时，b =约710。

硬币的总数是a * b * 2，所以如果需要以5V500毫安的功率给手机充电，我们大约需要14200便士，如果每个电池由10个单元组成的话（20枚硬币）。

当然，下一个问题是什么时候有串联与并联的最佳比率？为此，我们需要一个总硬币数的函数。

总数= a * b = a *（Rc * Ip）/（Vc-Vp / a）

如果我们绘制这个函数，寻找最小值的位置，或者对这个函数求导，并寻找它等于零的地方，我们将找到每个电池最有效的单元格数。

事实证明，对于这种情况，最好的数字是10.5。显然我们不能有一半的单元格，所以10或11将是最有效的。 （如果我们每个电池使用11个电池，我们需要650个电池，或者14300个硬币，所以10个硬币的数量稍微好一点，虽然它可能比710个电池更容易制造650个电池，11个电池10个单元块）。

因此，只需$ 142（加上710打印案件的成本，一点纸板和一点电线），你可以建立自己一个手机充电器，大概会很好的工作吧...

有趣的是，事实证明，电池中的电池的最佳数量几乎仅取决于每个电池的电压。如果你使用具有大约0.58伏的每电池电压的Al和Cu版本，则每个电池中的最佳电池数量将几乎恰好为17。当然在这种情况下，每个电池单元由一个硬币和一个铝组成，而Zn和Cu版本每个单元是2个硬币。而内部电阻仍将影响所需的电池总数，因为如果内部电阻升高，每个电池单元只能够提供更少的电流。所以对于铝和铜版本，最佳的硬币数量由（17个电池/电池）*（1820电池）*（1硬币/电池）= 30940个硬币，或$ 310加上所有铝的成本等。

[i=s] 本帖最后由 shangui0237 于 2016-10-18 17:27 编辑

附录二 各种金属组合能提供的电压
[img=620,514]https://cdn.instructables.com/F7E/JCZV/IU9UML9F/F7EJCZVIU9UML9F.MEDIUM.jpg[/img]






[img=320,533]https://cdn.instructables.com/FCZ/JXUX/IU9UMKDJ/FCZJXUXIU9UMKDJ.SMALL.jpg[/img]


我在电极配对时测试了十一种材料。总共是66种组合。 最高电压（1.7V）是由使用石墨（铅笔芯）和镁作为电极产生的。然而镁与醋的反应非常强烈，所以这不是一个非常实用的选择。

[i=s] 本帖最后由 shangui0237 于 2016-10-19 15:15 编辑

翻译完成！ 有什么不足的地方可以提出，这次这个题目非常有趣，各位回家可以拿五毛硬币试试哟！如果成功了请务必跟帖~

下期预告：便携式太阳能充电器


@蛋挞妹。

@社区官方微博

楼主翻译辛苦了！！

真·用钱堆出来的电池