尼摩艇长的礼物——钠电池的制作
火星居士2014/03/30极客DIY IP:山东
一、绪论  
101137dl6sp0iykl446e2s.jpg
  先来看看视觉效果
  相信诸位同仁一定看过儒勒.凡尔纳的著名科幻小说《海底两万里》,里面那艘在当时极其先进的鹦鹉螺号潜艇相比给各位留下了深刻印象。而对我来讲,给我印象最深的依然是那套强大的电池动力系统。从第一次看的时候,我就产生了制作一套这样的系统的想法。然而,直到最近,我才搞到了一些金属钠,开始了电池的制作。
二、具体方案的制定和设计
  为了尽可能和尼摩艇长的发明相似,在这里引用原文如下(《海底两万里》第十二章)
   “是的,教授,我的方怯多着呢。譬如我可以把沉在不同深度下的金属线连结成电路,金属线受到的不同热度就产生电:但我通常采用的,是另一种比较方便而实用的方法。”
  “是哪种方法呢?”
  “海水的成份您是知道的。一千克的海水有百分之九十六点五是水,百分之二点七左右是氯化钠,其余就是小量的氯化镁,氯化钾,澳化镁,硫酸镁,硫酸和石炭酸。由此您可以看出,氯化钠在海水中含有相当大的分量。而我从海水中提出来的就是钠,我就是用这些钠制造我所需要的物质。”
  “钠吗?”
  “是的,先生。钠跟汞混合,成为一种合金,代替本生电池中所需要的锌。汞是不会损失的,只有钠才要消耗,但海水本身供给我所需要的钠。此外我还可以告诉您,钠电池应当是最强的,它的电动力比锌电池要强好几倍。”
   从原文中,我们可以看出,鹦鹉螺号上的电池其实就是一种改进过的原电池,只不过将锌阳极换成了钠汞齐。由于涉及剧毒的汞,因此笔者在作实验时使用纯钠代替。至于电池结构,还请接着看原文:
“您看,”尼摩船长对我说,“我用的是本生电池的装置,不是兰可夫电池的装置,后一种电力不强。本生电池的装置虽然简单,但电力很强。”
  船长提出了“本生电池”这个词,笔者感到很陌生。搜索之后,发现了这一条:
1841年本生发明了碳电极。这样的碳电极可以在威廉·罗泊特·格鲁夫发明的电池中取代昂贵的铂电极。
  由此得到的信息,我们可以确定如下的设计:
1. 采用普通原电池结构,使用固体电极和液体电解质
2. 阳极使用钠,阴极为石墨
3. 电解液尽量选择碱溶液,减少反应过程中的氢离子浓度,避免剧烈反应
为了试验反映的剧烈程度,我先让钠和我的饱和氢氧化钾溶液反应,没想到出现了如下图的情况
124759dyf4ebyten3pyo6f.jpg
火花四溅,这仅仅是一块绿豆大小的钠
  对于电池来说,这样的方案毫无疑问是极不安全的。我必须选择其他反应速率更慢的电解质。就在这时候,我想到了乙醇。
  由于乙醇的羟基中有活泼氢,而乙基的推电子效应降低了羟基中活泼氢的活性,因此钠会和乙醇进行比较慢的反应。但是,无水乙醇是非电解质,不导电,因此需要加少量的水和乙醇钠增强电解质的导电性。具体反应原理如下:
总反应:2Na+2CH3CH2OH=2CH3CH2Na+H2
负极:Na-e-=Na+
正极:2H+ +2e-=H2
  确定结构和电极,电解质材料之后,电池就可以开工制造了。
三、电池的制作
  我家里只有小半桶用剩下的乙醇,估计不是无水乙醇
101058lb154xc4vcfwzrcw.jpg
乙醇桶
101103qzvvom4p2vzxb0xv.jpg
加入少量乙醇钠,颜色略微发黄
124752xmp59rgperqpr1ir.jpg
两只石墨电极
  反应容器我选择的是50ml的烧杯,简单直接
101048obzcpoxjptcs4jj4.jpg
成块的钠,一共250克,从学校义卖节上买来的
101108gejyts00haqys7ca.jpg
切钠块
101112ixb0ek72bo0zzoo8.jpg
切好的钠块
  按图示装配好电池,我采用的是两个电池单元,彼此串联。装配好后,放入钠块,就可以开始发电了。
101117lzjxr21ibxyxip51.jpg
待发的电池
124757kj6hdf66hd6n68cx.jpg
电池电动势(单位:伏特)
124758w6dh2ftu2npnupz2.jpg
电池短路电流(单位:毫安)
101130ro6npppjnmxojpp6.jpg
点亮一个小小的橙色led

  电池能够连续工作3分钟左右,稳定工作直至钠块反应完毕。事实证明,该电池反应速率适中,功率合适,很适合潜水艇使用。而我们的艇长唯一需要考虑的问题就是:储备足够的乙醇。
+25  科创币    王者归来abs    2014/03/30 高质量发帖
+10  科创币    势垒    2014/03/30 这要燃料舱进水就坑了
+25  科创币    q81919119    2014/03/30 高质量发帖
+30  科创币    qwe    2014/03/30 --
+10  科创币    天机    2014/03/30 高质量发帖
+50  科创币    +_+93`    2014/03/30 成本好高,效率低下。。。。
+30  科创币    ne555    2014/03/30 高质量发帖
+200  科创币    ms1175555    2014/03/30 应该算原电池
+10  科创币    zhiyangwork    2014/03/30 注意安全
来自:综合交流区 / 极客DIY
25
1
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~~空空如也
鹦鹉之王
10年1个月前 IP:未同步
678713
前排围观..............
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qwe
10年1个月前 IP:未同步
678720
貌似锂电池(那种一次性的)原理差不多,电更多,我有一点锂,打算试试,你也可以拆一次性锂电池(好像是5块,大扁片)得到锂
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samhrc
10年1个月前 IP:未同步
678729
《海底两万里》忽略了一个重要的问题:用何种能量从海水中提取金属钠?
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火星居士作者
10年1个月前 IP:未同步
678733
samhrc 发表于 2014-3-30 14:22
《海底两万里》忽略了一个重要的问题:用何种能量从海水中提取金属钠?


“船长,我很明白您在这种情形中获得钠的优越性。海水中含有钠6对。不过还要把它制出来,就是说,要把它提出来。您是怎样做的呢?当然您的电池可以做这种工作,不过,如果我没有说错,电动机器消耗的钠的数量,恐怕要超过提出来的钠的数量。那么结果您为生产而消费的钠。实际上比您所能生产的钠数量要多!”
“教授,我并不用电池提取,我简单地用陆地上煤炭的热力就是了。,
“陆地上的?”我着重地说。
“就说是海底的煤炭吧。”尼摩船长回答。
“您可以在海底开采煤旷吗?”
“阿龙纳斯先生,您将会看到我开采。我只请您忍耐些时候,因为您有时间,可以等待一下。我单单请您注意这点:我什么都是取自海洋,利用海洋发电,供给诺第留斯号热、光、动力,简单一句话。电给诺第留斯号生命。”
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火星居士作者
10年1个月前 IP:未同步
678734
qwe 发表于 2014-3-30 13:56
貌似锂电池(那种一次性的)原理差不多,电更多,我有一点锂,打算试试,你也可以拆一次性锂电池(好像是5 ...


一次性锂水电池我也做过,能量比钠电池要高,但是锂实在太贵,用不起。
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qwe
10年1个月前 IP:未同步
678739
火星居士 发表于 2014-3-30 14:41
一次性锂水电池我也做过,能量比钠电池要高,但是锂实在太贵,用不起。


话说非得乙醇钠吗,用饱和食盐水行不,还有,锂醇电池怎么样
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+_+93`
10年1个月前 IP:未同步
678748
钠的原子电压好像只有0.337V
是锂的十分之一
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slngen
10年1个月前 IP:未同步
678766
...学习了....图好大....
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10年1个月前 IP:未同步
678767
qwe 发表于 2014-3-30 14:54
话说非得乙醇钠吗,用饱和食盐水行不,还有,锂醇电池怎么样


我不太敢往里加太多水,怕真的发生爆炸。
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10年1个月前 IP:未同步
678769
+_+93` 发表于 2014-3-30 15:41
钠的原子电压好像只有0.337V
是锂的十分之一


我买250克钠一共花了40元,而从网上买200克散装锂需要至少300元,钠的成本不到锂的10%
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nkh0472
10年1个月前 IP:未同步
678792
...话说,这就是不用汞的后果。。。额,钠汞齐相当方便啊。。。剧毒什么的开瓶的时候防护好就行了,都是浸液体在液体流又不用担心挥发。。。lz绕远了。。。
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10年1个月前 IP:未同步
678794
nkh0472 发表于 2014-3-30 18:05
...话说,这就是不用汞的后果。。。额,钠汞齐相当方便啊。。。剧毒什么的开瓶的时候防护好就行了,都是浸 ...


我也认为汞是反应中重要的稳定剂,不过我现在家里没有汞,也买不到汞啊。济南这里管制很严,网购纪录又被父母监控。
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wuncle
10年1个月前 IP:未同步
678817
现在这类金属燃料电池最大的问题是析氢,影响效率,而且不安全。
如果想要利用析出的氢又要有另一个氢氧燃料电池或是别的什么装置,太复杂。

如果能改进电解液,甚至使用气态、固态、等离子态?? 电解液,解决析氢问题,那电池能量密度将有一次飞跃的提升。
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10年1个月前 IP:未同步
678847
wuncle 发表于 2014-3-30 18:59
现在这类金属燃料电池最大的问题是析氢,影响效率,而且不安全。
如果想要利用析出的氢又要有另一个氢氧燃 ...


可以导入到一个燃料电池,但更多的做法是用二氧化锰直接吸收。
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rudolf
10年1个月前 IP:未同步
678853
samhrc 发表于 2014-3-30 14:22
《海底两万里》忽略了一个重要的问题:用何种能量从海水中提取金属钠?


在小说后面有采煤的场景,用煤制造钠。
具体情节忘记了,大概是先发电,再电解制取金属钠。
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ne555
10年1个月前 IP:未同步
678864
记得氢氧化钠可溶于乙醇,用氢氧化钠当电解质成本会比乙醇钠小很多
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10年1个月前 IP:未同步
678887
ne555 发表于 2014-3-30 21:18
记得氢氧化钠可溶于乙醇,用氢氧化钠当电解质成本会比乙醇钠小很多


我试过了,溶解度很小,而我的醇钠直接来自于电池废液。
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火星居士作者
10年1个月前 IP:未同步
678888
rudolf 发表于 2014-3-30 20:49
在小说后面有采煤的场景,用煤制造钠。
具体情节忘记了,大概是先发电,再电解制取金属钠。


火力发电机发电的同时再高温加热熔融氯化钠,电解得到金属钠。
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微微
10年1个月前 IP:未同步
678979
火星居士 发表于 2014-3-30 16:47
我买250克钠一共花了40元,而从网上买200克散装锂需要至少300元,钠的成本不到锂的10%


才花这么一点钱,看来我被坑了
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xiying12571
10年1个月前 IP:未同步
678989
这个有点高端额
默默的学习下![s:9]
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火星居士作者
10年1个月前 IP:未同步
679008
微微 发表于 2014-3-31 15:10
才花这么一点钱,看来我被坑了


义卖节嘛[s:12]
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火星居士作者
10年1个月前 IP:未同步
679978
微微 发表于 2014-3-31 15:10
才花这么一点钱,看来我被坑了


你花了多少?
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富二代创始人
10年1个月前 IP:未同步
680449
这金属钠?? 为什么和我的差别这么大。。 我的还有金属光泽的。。 你这什么情况?
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火星居士作者
10年1个月前 IP:未同步
680473
富二代创始人 发表于 2014-4-6 20:58
这金属钠?? 为什么和我的差别这么大。。 我的还有金属光泽的。。 你这什么情况?


如此便宜的东西质量当然[s:12]
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