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家中沒電不用怕! 自造鎂銅水啟動應急手電筒

編譯:江宗諭

幾年前,我(編按:在此指作者 JGJMatt )在 Instructable 網站上,分享了如何製作緊急用 AA 電池,這是利用電解原理的作品。現在,我將擴展這項專案,製作一款緊急用手電筒,採用可快速更換的鎂和銅水啟動電池。這種電池一旦耗盡,只需更換新的陰極和陽極,便可輕鬆重新充電使用。

這項專案的靈感,來自於盼望能在家製作一種便宜的緊急光源,不需用任何危險或罕見材料,且能無限期儲存,這樣在需要時便不會因電池過期而措手不及!

就讓我們開始吧!

專案所使用的耗材:

  • 一台 3D 列印機
  • 4 毫米鎂帶
  • 6 毫米銅自黏膠帶
  • 棉球
  • 1 毫米 EVA 泡棉

第一步:電解電池

電解電池(或稱伏打電池),是一種透過自發性的氧化還原反應,以產生電能的電化學電池。它通常由兩種不同的金屬組成,並透過鹽橋連接,或由兩個半電池組成,每個半電池包含一個電解質及一個金屬電極。

電解電池的主要組成部分包括:

  • 陽極:進行氧化(失去電子)的電極。在電解電池中,它是負極。
  • 陰極:進行還原(獲得電子)的電極。在電解電池中,它是正極。
  • 電解質:一種離子物質,允許離子在電極間移動,維持電的中性。
  • 鹽橋:一條允許離子在兩個半電池間轉移的通道,以保持電的中性,防止溶液帶電。
  • 電池間的連接:連接陽極和陰極的導線,允許電子從陽極流向陰極。

在電解電池中,較適合的金屬,通常是那些標準電極電位(也稱為還原電位)差異較大的金屬。這種差異可產生較高的電壓,並進行更高效的能量轉換。

常用金屬包括:

  • 鋅 (Zn):常用作陽極,因為它的還原電位相對較低。
  • 銅 (Cu):由於其還原電位比鋅高,常用作陰極。
  • 鎂 (Mg):在需要更高電壓的電池中,是另一個良好的陽極選擇,因為它的還原電位比鋅更低。
  • 銀 (Ag):在一些高效能電池中用作陰極,因為它具有較高的還原電位。
  • 鐵 (Fe):偶爾用作陽極,但由於其容易生鏽,較少使用。
  • 鉛 (Pb):有時在特定類型的電解電池中使用,如鉛酸電池。

所以,金屬的選擇,取決於所需電壓和電解電池的具體應用。

第二步:設計並列印外殼

我將透過 3D 列印,自造可重複使用的電池外殼及夾式手電筒模組,因此,我首先使用 Fusion 360 設計這兩個部分。

由於我的FDM 3D 列印機的配置,是用 0.8 毫米噴嘴及複合材料來列印大型物件,它無法處理這類小型列印,因此,我使用了我的 Halot One 光固化樹脂列印機。但這些檔案在0.4毫米噴嘴的 FDM 列印機上應也能有效運作。

當自造這款手電筒時,您只需針對「 Water Lamp Top.stl 」和「 Water Lamp Battery.stl 」檔案,各列印一次。然而,我建議多列印幾個電池,以便在緊急情況下隨時替換。針對「 PCB Mask.stl 」檔案,只需在您想自行蝕刻電路板時使用,這部分會在第四步中進一步說明,而您也可選擇不要蝕刻電路板。但在列印固化後,我使用了永久性麥克筆來填充浮雕,為作品增加一些風格!

第三步:自造電解電池堆

當電池外殼列印完成後,我們便可開始組裝電池。

我由陰極開始,將採用 6 毫米的自黏銅 (Cu) 膠帶。我先不撕掉銅膠帶紙背,然後將膠帶穿過電池頂部的 6 毫米縫隙,並從底部開口推入。之後,我撕掉一小段超出電池外殼的膠帶紙背,接著將膠帶從頂部拉回來,並將有黏性的部分黏在電池外殼的內部。而在電池外殼的頂部,我們留出一小段膠帶,以便連接到相鄰的電池和燈的接觸點。

現在,讓我們開始自造陽極,採用 4 毫米的鎂 (Mg) 帶。與鋁類似,鎂在接觸到潮濕環境時會迅速氧化。所以,當您收到鎂帶時,會發現它的顏色可能是暗灰色,而非廣告中所描述的明亮銀色。這樣的情況完全正常,但我們需將它清理乾淨,以達到最佳的電池堆效率。我運用一些細鋼絲絨輕輕擦拭,直到剩下明亮的光亮帶。

在此有個小秘訣,為減少未來鎂帶的氧化,我建議,將您的鎂帶放在有密封袋的袋子裡,並放入一些乾燥劑包。

針對每個電池模組,我剪下三段鎂帶,長度略長於電池本身,並使用尖嘴鉗在每段帶子的一端彎出一個 90 度的耳片,這將作為我們的連接點。之後,將每段鎂帶穿過電池頂部的 4 毫米縫隙,讓彎曲的耳片放在銅耳片上,然後以剪刀將底部多餘的鎂帶剪掉。

要完成電池模組,我們需製作一個「鹽橋」。在我的設計中,「鹽橋」將是一些棉花,填充在陽極與陰極間,用來保持電解質。我用木牙籤,將每個電池模組的一顆棉球分成三塊,然後塞入每個電池的空腔中。在這過程中,請確保您的手和棉球完全乾燥,因為潮濕會慢慢降低陽極與陰極的效能。

第四步:製作電路板(非必要步驟)

在這一步中,我將向您展示,如何從頭開始自造一塊電路板來驅動燈具,但由於這是一個非常簡單的電路,你可完全省略電路板和探針腳,直接用一顆 5 毫米的LED,將它的引腳彎曲成接觸電池模組的針腳。

首先,我們需要一個電路板的蝕刻掩模(An Etch Mask),它是一種阻擋物,防止蝕刻劑侵蝕銅層,以便為我們的電路製作導線。

製作掩模有幾種不同的方法,我常用的一種是光敏膠,它是一種對光敏感的薄膜,可粘附或噴塗在電路板上,然後暴露在紫外光下,以便在電路板上自造負掩模。所有暴露在紫外光下的區域將不會被蝕刻。

創建光敏膠的一個簡單方法,是使用樹脂 3D 列印機的顯示屏,因為樹脂列印的過程與製作光敏膠完全相同。

另一種方法,是用永久性麥克筆或油漆筆直接畫出電路板的導線。但因我已在列印機上列印了手電筒的兩個元件,所以我決定列印一個電路的薄模板,然後用我的噴槍噴塗在電路板上。

製作好蝕刻掩模後,您現在需蝕刻電路板,請務必穿戴所有必要的安全設備!

在通風良好的房間或戶外,將兩部分過氧化氫和一部分鹽酸,混合在一個單獨的容器中。如果您有的話,也可使用氯化鐵來替代這種溶液(請務必小心處理您的蝕刻溶液)。

在此有個小提醒:過氧化氫加鹽酸是一種比氯化鐵更安全的替代方案,適合在製作自製電路板時使用。

小心將電路板浸入蝕刻溶液中,需蝕刻的銅必須完全浸入並朝上。定期攪拌混合物。之後將電路板放在溶液中,直到所有暴露的銅都溶解,只留下光敏膠下的銅層。完成後,請在乾淨的水中徹底沖洗。

現在,您可簡單剪裁並形塑電路板,然後為探針腳鑽孔。

第五步:製作手電筒模組

既然電路板已製作完成,接下來,讓我們來組裝手電筒模組。

首先,您需將三個元件焊接到電路板上。先焊接 1206 白光 LED ,您會注意到 LED 有一側有條綠線,這是二極管的負極(陽極),它會連接到電池模組的鎂那一側。接著,您需將兩個探針腳焊接到電路板上,並確保它們面向電路板的背面。

在任何涉及 LED 的電路中,您都會發現,有一個限流元件與二極管串聯,但這個電池的測量電流在 15 到 20 毫安( mA )之間,這是確保此燈最大亮度的理想電流,且不會對 LED 造成損害。

為確保電路板防水,我在電路板的凹槽內塗抹一些 UV 樹脂,然後將電路板按入到位,並使用 UV 手電筒從背面進行固化。

我使用與列印部件相同的樹脂,來填充燈具凹槽,為 LED 創造一個保護性的防水透鏡。若你使用 FDM 列印手電筒,或您沒有透明的 3D 列印樹脂,也可使用 UV 固化的工藝樹脂。

LED 部分完成後,我剪裁一塊 1 毫米的 EVA 工藝泡棉,放置在模組背面的兩個探針腳間。這將有助於在手電筒夾上時,將三個電解電池的連接緊密壓合在一起。

現在,您的閃光燈模組已準備好可使用了。

第六步:測試

現在,就讓我們來測試手電筒吧!啟動它的方法非常簡單,只需將電池模組浸入清水幾秒鐘,讓棉花充分吸收水分,之後甩掉多餘水分,將手電筒模組夾上即可。盼望這篇教學文對大家有幫助!

(本篇文章是原文作者 JGJMatt ,在 AUTODESK INSTRCTABLES 網站上的投稿。特別感謝 JGJMatt 開放授權,讓我們得以進行翻譯,特此致謝!若讀者有興趣閱讀原文,請點擊:閱讀原文,謝謝!)

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