高效、穩定、耐用的電源系統(電池)是服務機器人必不可少的組成部分。普通電池 的性能參數有電動勢、容量、比能量和電阻等。電動勢等于單位正電荷由負極通過電池 內部移到正極時，電池非靜電力(化學力)所做的功。電動勢取決于電極材料的化學性 質，與電池大小無關。電池所能輸出的總電荷量為電池的容量，通常用安培小時作為單 位。在電池反應中，1kg 反應物質所產生的電能稱為電池的理論比能量。電池的實際比 能量要比理論比能量小。因為電池中的反應物并不是全按電池反應進行，同時電池內阻 也會引起電動勢降低，因此常把比能量高的電池稱為高能電池。電池的面積越大，其內 阻就越小。

鉛酸蓄電池

 1859年，法國人普蘭特發明了鉛酸蓄電池，至今已有 150多年的發展歷程。鉛酸蓄電池在理論研究、產品種類 及品種、產品電氣性能等方面都得到了長足的進步，在交 通、通信、電力、軍事、航海、航空等各個領域，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下，正極的主要成分是二氧化 鉛，負極主要成分為鉛。在放電狀態下，正負極的主要成分均為硫酸鉛。

根據鉛酸蓄電池的結構與用途不同，其大體上可以分為四大類。

(1)啟動用鉛酸蓄電池。

(2)動力用鉛酸蓄電池。

(3)固定型閥控密封式鉛酸蓄電池。

(4)其他類，包括小型閥控密封式鉛酸蓄電池、礦燈用鉛酸蓄電池等。

一個單格鉛酸蓄電池的標稱電壓是2.0V,能放電到1.5V, 能充電到2.4V。在實際應 用中，經常用6個單格鉛酸蓄電池串聯起來組成標稱為12V的鉛酸蓄電池，還有24V 、36V、 48V等。采用有抗腐蝕結構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 屬或鋰合金為負極材料、使用非水電解質溶液的電池。鋰電池大致分為鋰金屬電池和鋰 離子電池兩類。鋰金屬電池內含金屬態鋰，它通常是不可充電的。鋰離子電池不含有金 屬態鋰，它可以充電。Z早出現的鋰電池來自于偉大的發明家愛迪生，他使用了反應 Li+MnO₂=LiMnO₂ 。 該反應為氧化還原反應和放電。由于鋰金屬的化學特性非常活 潑，使得鋰金屬的加工和保存及使用對環境要求非常高，所以鋰電池長期沒有得到廣泛 應用。但是，鋰電池現在已經成為了主流，如圖2.31所示。鋰離子電池中因為不含有重 金屬鎘，與鎳鎘電池相比較，它可以大大減少對環境的污染。

鋰電池負極材料大體分為以下幾種。

(1)碳負極材料。目前實際用于鋰離子電池的負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、熱解樹脂碳等。

(2)錫基負極材料。錫基負極材料可以分為錫的氧化物和錫基復合氧化物兩種。氧 化物是指各種價態金屬錫的氧化物。目前沒有商業化產品。

(3)含鋰過渡金屬氮化物負極材料，目前也沒有商業化產品。

(4)合金類負極材料。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，目前也沒有商業化產品。

(5)納米J負極材料：納米碳管、納米合金材料。

(6)納米氧化物材料。諸多企業已經開始使用納米氧化鈦和納米氧化硅添加在以前

傳統的石墨、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。

鋰離子電池由于工作電壓高、體積小、質量輕、能量高、無記憶效應、無污染、自放電 小、循環壽命長，它是21世紀的理想能源。鋰電池的結構通常有兩種外形：圓柱形和方 形。電池內部采用螺旋繞制結構，用一種非常精細和滲透性很強的聚乙烯薄膜隔離材料 在正、負極間間隔而成。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。負極由石墨化碳材料和銅箔組成的電流收集極組成。電池內充 有有機電解質溶液。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 正常狀態及輸出短路時保護電池不受損壞。

鋰電池主要優點如下。

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

(2)使用壽命長。在正常條件下，鋰離子電池的充放電周期可以超過500次，磷酸亞鐵鋰則可以達到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小時內就充滿電；新開發的磷鐵鋰電池已經可以在35min內充滿電。

(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 的串聯電壓，便于組成電池電源組。

(4)具備高功率承受力，便于高強度的啟動加速。

(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)高低溫適應性強，可以在-20～60℃的環境下使用，經過工藝上的處理可以在 —45℃環境下使用。

(8)綠色環保，不論生產和使用及報廢都不產生任何鉛、汞、鎘等有毒有害重金屬元 素和物質。

(9)生產基本不消耗水，有利于環保。

鋰電池的缺點如下。

(1)鋰原電池均存在安全性差，有發生爆炸的危險。

(2)鈷酸鋰的鋰離子電池不能大電流放電，安全性較差。

(3)鋰離子電池需保護線路，防止電池被過充過放電。

(4)生產要求條件高，成本高。