中小企業(yè)展廳講解機(jī)器人的電源電池：鉛酸蓄電池、鋰電池

高效、穩(wěn)定、耐用的電源系統(tǒng)(電池)是服務(wù)機(jī)器人必不可少的組成部分。普通電池 的性能參數(shù)有電動(dòng)勢(shì)、容量、比能量和電阻等。電動(dòng)勢(shì)等于單位正電荷由負(fù)極通過(guò)電池 內(nèi)部移到正極時(shí)，電池非靜電力(化學(xué)力)所做的功。電動(dòng)勢(shì)取決于電極材料的化學(xué)性 質(zhì)，與電池大小無(wú)關(guān)。電池所能輸出的總電荷量為電池的容量，通常用安培小時(shí)作為單 位。在電池反應(yīng)中，1kg 反應(yīng)物質(zhì)所產(chǎn)生的電能稱(chēng)為電池的理論比能量。電池的實(shí)際比 能量要比理論比能量小。因?yàn)殡姵刂械姆磻?yīng)物并不是全按電池反應(yīng)進(jìn)行，同時(shí)電池內(nèi)阻 也會(huì)引起電動(dòng)勢(shì)降低，因此常把比能量高的電池稱(chēng)為高能電池。電池的面積越大，其內(nèi) 阻就越小。

鉛酸蓄電池

 1859年，法國(guó)人普蘭特發(fā)明了鉛酸蓄電池，至今已有 150多年的發(fā)展歷程。鉛酸蓄電池在理論研究、產(chǎn)品種類(lèi) 及品種、產(chǎn)品電氣性能等方面都得到了長(zhǎng)足的進(jìn)步，在交 通、通信、電力、軍事、航海、航空等各個(gè)領(lǐng)域，鉛酸蓄電池都 起到了不可缺少的重要作用。鉛酸蓄電池的原理和構(gòu)造如 圖2.29和圖2.30所示，它是一種電極由鉛及其氧化物制成，電解液是硫酸溶液的蓄電池。鉛酸蓄電池在荷電狀態(tài)下，正極的主要成分是二氧化 鉛，負(fù)極主要成分為鉛。在放電狀態(tài)下，正負(fù)極的主要成分均為硫酸鉛。

根據(jù)鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu)與用途不同，其大體上可以分為四大類(lèi)。

(1)啟動(dòng)用鉛酸蓄電池。

(2)動(dòng)力用鉛酸蓄電池。

(3)固定型閥控密封式鉛酸蓄電池。

(4)其他類(lèi)，包括小型閥控密封式鉛酸蓄電池、礦燈用鉛酸蓄電池等。

一個(gè)單格鉛酸蓄電池的標(biāo)稱(chēng)電壓是2.0V,能放電到1.5V, 能充電到2.4V。在實(shí)際應(yīng) 用中，經(jīng)常用6個(gè)單格鉛酸蓄電池串聯(lián)起來(lái)組成標(biāo)稱(chēng)為12V的鉛酸蓄電池，還有24V 、36V、 48V等。采用有抗腐蝕結(jié)構(gòu)的鉛鈣合金欄板的鉛酸蓄電池可以浮充使用10～15年。

鋰電池

鋰電池是指電化學(xué)體系中含有鋰(包括金屬鋰、鋰合金、鋰離子、鋰聚合物),由鋰金 屬或鋰合金為負(fù)極材料、使用非水電解質(zhì)溶液的電池。鋰電池大致分為鋰金屬電池和鋰 離子電池兩類(lèi)。鋰金屬電池內(nèi)含金屬態(tài)鋰，它通常是不可充電的。鋰離子電池不含有金 屬態(tài)鋰，它可以充電。Z早出現(xiàn)的鋰電池來(lái)自于偉大的發(fā)明家愛(ài)迪生，他使用了反應(yīng) Li+MnO₂=LiMnO₂ 。 該反應(yīng)為氧化還原反應(yīng)和放電。由于鋰金屬的化學(xué)特性非常活 潑，使得鋰金屬的加工和保存及使用對(duì)環(huán)境要求非常高，所以鋰電池長(zhǎng)期沒(méi)有得到廣泛 應(yīng)用。但是，鋰電池現(xiàn)在已經(jīng)成為了主流，如圖2.31所示。鋰離子電池中因?yàn)椴缓�有�?金屬鎘，與鎳鎘電池相比較，它可以大大減少對(duì)環(huán)境的污染。

鋰電池負(fù)極材料大體分為以下幾種。

(1)碳負(fù)極材料。目前實(shí)際用于鋰離子電池的負(fù)極材料基本上都是碳素材料，如人 工石墨、天然石墨、中間相碳微球、石油焦、碳纖維、熱解樹(shù)脂碳等。

(2)錫基負(fù)極材料。錫基負(fù)極材料可以分為錫的氧化物和錫基復(fù)合氧化物兩種。氧 化物是指各種價(jià)態(tài)金屬錫的氧化物。目前沒(méi)有商業(yè)化產(chǎn)品。

(3)含鋰過(guò)渡金屬氮化物負(fù)極材料，目前也沒(méi)有商業(yè)化產(chǎn)品。

(4)合金類(lèi)負(fù)極材料。包括錫基合金、硅基合金、鍺基合金、鋁基合金、銻基合金、鎂 基合金和其他合金，目前也沒(méi)有商業(yè)化產(chǎn)品。

(5)納米J負(fù)極材料：納米碳管、納米合金材料。

(6)納米氧化物材料。諸多企業(yè)已經(jīng)開(kāi)始使用納米氧化鈦和納米氧化硅添加在以前

傳統(tǒng)的石墨、錫氧化物、納米碳管里面，極大地提高了鋰電池的沖放電量和充放電次數(shù)。

鋰離子電池由于工作電壓高、體積小、質(zhì)量輕、能量高、無(wú)記憶效應(yīng)、無(wú)污染、自放電 小、循環(huán)壽命長(zhǎng)，它是21世紀(jì)的理想能源。鋰電池的結(jié)構(gòu)通常有兩種外形：圓柱形和方 形。電池內(nèi)部采用螺旋繞制結(jié)構(gòu)，用一種非常精細(xì)和滲透性很強(qiáng)的聚乙烯薄膜隔離材料 在正、負(fù)極間間隔而成。正極包括由鈷酸鋰(或鎳鈷錳酸鋰、錳酸鋰、磷酸亞鐵鋰等)及鋁 箔組成的電流收集極。負(fù)極由石墨化碳材料和銅箔組成的電流收集極組成。電池內(nèi)充 有有機(jī)電解質(zhì)溶液。另外，還裝有安全閥和 PTC 元件(部分圓柱式使用),以便電池在不 正常狀態(tài)及輸出短路時(shí)保護(hù)電池不受損壞。

鋰電池主要優(yōu)點(diǎn)如下。

(1)能量比較高，具有高儲(chǔ)存能量密度，目前已達(dá)到460～600Wh/kg, 是鉛酸蓄電池的6～7倍。

(2)使用壽命長(zhǎng)。在正常條件下，鋰離子電池的充放電周期可以超過(guò)500次，磷酸亞鐵鋰則可以達(dá)到2000次。使用額定電壓為4.2V 的恒流恒壓充電器，可以使鋰離子電池 在1.5～2.5小時(shí)內(nèi)就充滿(mǎn)電；新開(kāi)發(fā)的磷鐵鋰電池已經(jīng)可以在35min內(nèi)充滿(mǎn)電。

(3)額定電壓高(單體工作電壓為3 .7V 或3 . 2V), 約等于3只鎳鎘或鎳氫充電電池 的串聯(lián)電壓，便于組成電池電源組。

(4)具備高功率承受力，便于高強(qiáng)度的啟動(dòng)加速。

(5)自放電率很低，目前一般可以做到每月1%以下，不到鎳氫電池的1/20。

(6)重量輕，相同體積下重量約為鉛酸蓄電池的1/5～1/6。

(7)高低溫適應(yīng)性強(qiáng)，可以在-20～60℃的環(huán)境下使用，經(jīng)過(guò)工藝上的處理可以在 —45℃環(huán)境下使用。

(8)綠色環(huán)保，不論生產(chǎn)和使用及報(bào)廢都不產(chǎn)生任何鉛、汞、鎘等有毒有害重金屬元 素和物質(zhì)。

(9)生產(chǎn)基本不消耗水，有利于環(huán)保。

鋰電池的缺點(diǎn)如下。

(1)鋰原電池均存在安全性差，有發(fā)生爆炸的危險(xiǎn)。

(2)鈷酸鋰的鋰離子電池不能大電流放電，安全性較差。

(3)鋰離子電池需保護(hù)線路，防止電池被過(guò)充過(guò)放電。

(4)生產(chǎn)要求條件高，成本高。