中小企业展厅讲解机器人的电源电池：铅酸蓄电池、锂电池

高效、稳定、耐用的电源系统(电池)是服务机器人必不可少的组成部分。普通电池 的性能参数有电动势、容量、比能量和电阻等。电动势等于单位正电荷由负极通过电池 内部移到正极时，电池非静电力(化学力)所做的功。电动势取决于电极材料的化学性 质，与电池大小无关。电池所能输出的总电荷量为电池的容量，通常用安培小时作为单 位。在电池反应中，1kg 反应物质所产生的电能称为电池的理论比能量。电池的实际比 能量要比理论比能量小。因为电池中的反应物并不是全按电池反应进行，同时电池内阻 也会引起电动势降低，因此常把比能量高的电池称为高能电池。电池的面积越大，其内 阻就越小。

铅酸蓄电池

 1859年，法国人普兰特发明了铅酸蓄电池，至今已有 150多年的发展历程。铅酸蓄电池在理论研究、产品种类 及品种、产品电气性能等方面都得到了长足的进步，在交 通、通信、电力、军事、航海、航空等各个领域，铅酸蓄电池都 起到了不可缺少的重要作用。铅酸蓄电池的原理和构造如 图2.29和图2.30所示，它是一种电极由铅及其氧化物制成，电解液是硫酸溶液的蓄电池。铅酸蓄电池在荷电状态下，正极的主要成分是二氧化 铅，负极主要成分为铅。在放电状态下，正负极的主要成分均为硫酸铅。

根据铅酸蓄电池的结构与用途不同，其大体上可以分为四大类。

(1)启动用铅酸蓄电池。

(2)动力用铅酸蓄电池。

(3)固定型阀控密封式铅酸蓄电池。

(4)其他类，包括小型阀控密封式铅酸蓄电池、矿灯用铅酸蓄电池等。

一个单格铅酸蓄电池的标称电压是2.0V,能放电到1.5V, 能充电到2.4V。在实际应 用中，经常用6个单格铅酸蓄电池串联起来组成标称为12V的铅酸蓄电池，还有24V 、36V、 48V等。采用有抗腐蚀结构的铅钙合金栏板的铅酸蓄电池可以浮充使用10～15年。

锂电池

锂电池是指电化学体系中含有锂(包括金属锂、锂合金、锂离子、锂聚合物),由锂金 属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。锂电池大致分为锂金属电池和锂 离子电池两类。锂金属电池内含金属态锂，它通常是不可充电的。锂离子电池不含有金 属态锂，它可以充电。Z早出现的锂电池来自于伟大的发明家爱迪生，他使用了反应 Li+MnO₂=LiMnO₂ 。 该反应为氧化还原反应和放电。由于锂金属的化学特性非常活 泼，使得锂金属的加工和保存及使用对环境要求非常高，所以锂电池长期没有得到广泛 应用。但是，锂电池现在已经成为了主流，如图2.31所示。锂离子电池中因为不含有重 金属镉，与镍镉电池相比较，它可以大大减少对环境的污染。

锂电池负极材料大体分为以下几种。

(1)碳负极材料。目前实际用于锂离子电池的负极材料基本上都是碳素材料，如人 工石墨、天然石墨、中间相碳微球、石油焦、碳纤维、热解树脂碳等。

(2)锡基负极材料。锡基负极材料可以分为锡的氧化物和锡基复合氧化物两种。氧 化物是指各种价态金属锡的氧化物。目前没有商业化产品。

(3)含锂过渡金属氮化物负极材料，目前也没有商业化产品。

(4)合金类负极材料。包括锡基合金、硅基合金、锗基合金、铝基合金、锑基合金、镁 基合金和其他合金，目前也没有商业化产品。

(5)纳米J负极材料：纳米碳管、纳米合金材料。

(6)纳米氧化物材料。诸多企业已经开始使用纳米氧化钛和纳米氧化硅添加在以前

传统的石墨、锡氧化物、纳米碳管里面，极大地提高了锂电池的冲放电量和充放电次数。

锂离子电池由于工作电压高、体积小、质量轻、能量高、无记忆效应、无污染、自放电 小、循环寿命长，它是21世纪的理想能源。锂电池的结构通常有两种外形：圆柱形和方 形。电池内部采用螺旋绕制结构，用一种非常精细和渗透性很强的聚乙烯薄膜隔离材料 在正、负极间间隔而成。正极包括由钴酸锂(或镍钴锰酸锂、锰酸锂、磷酸亚铁锂等)及铝 箔组成的电流收集极。负极由石墨化碳材料和铜箔组成的电流收集极组成。电池内充 有有机电解质溶液。另外，还装有安全阀和 PTC 元件(部分圆柱式使用),以便电池在不 正常状态及输出短路时保护电池不受损坏。

锂电池主要优点如下。

(1)能量比较高，具有高储存能量密度，目前已达到460～600Wh/kg, 是铅酸蓄电池的6～7倍。

(2)使用寿命长。在正常条件下，锂离子电池的充放电周期可以超过500次，磷酸亚铁锂则可以达到2000次。使用额定电压为4.2V 的恒流恒压充电器，可以使锂离子电池 在1.5～2.5小时内就充满电；新开发的磷铁锂电池已经可以在35min内充满电。

(3)额定电压高(单体工作电压为3 .7V 或3 . 2V), 约等于3只镍镉或镍氢充电电池 的串联电压，便于组成电池电源组。

(4)具备高功率承受力，便于高强度的启动加速。

(5)自放电率很低，目前一般可以做到每月1%以下，不到镍氢电池的1/20。

(6)重量轻，相同体积下重量约为铅酸蓄电池的1/5～1/6。

(7)高低温适应性强，可以在-20～60℃的环境下使用，经过工艺上的处理可以在 —45℃环境下使用。

(8)绿色环保，不论生产和使用及报废都不产生任何铅、汞、镉等有毒有害重金属元 素和物质。

(9)生产基本不消耗水，有利于环保。

锂电池的缺点如下。

(1)锂原电池均存在安全性差，有发生爆炸的危险。

(2)钴酸锂的锂离子电池不能大电流放电，安全性较差。

(3)锂离子电池需保护线路，防止电池被过充过放电。

(4)生产要求条件高，成本高。