電池的高能量密度和安全性對協作機器人的重要性

2025 年 9 月 28 日

範浩博士

技術總監，擁有20年鋰電池研發設計經驗，精通電池結構優化、性能提升及安全技術，在高能量密度電池、防爆電池、長壽命電池開發方面擁有豐富的實際項目經驗，參與並領導了多個大型電池研發及產業化項目。

協作機器人依靠電池能量密度實現更長的運行時間和更緊湊的設計，從而革新了醫療保健和物流等行業。在以人為本的環境中，高能量密度和強大的安全特性至關重要。

統計	價值	每年
預計複合年增長率		2023-2028
預計銷售量	735,000	2025

全球機器人電池市場在鋰離子技術進步的推動下，安全性和性能均提高，有望實現快速成長：
預計 2023 年至 2028 年複合年增長率為 15%
預計到 2028 年市場規模將達到 12 億美元

關鍵要點

電池的高能量密度使協作機器人能夠運行更長時間並適應緊湊的設計，從而提高醫療保健和物流等行業的效率。
熱管理系統和先進的電池管理系統等安全功能對於防止鋰離子電池熱失控和過度充電等危險至關重要。
投資固態電池可以提高安全性和性能，提供更高的耐熱性和更長的使用壽命，使其成為要求嚴格的機器人應用的寶貴選擇。

第一部分：協作機器人的高能量密度

1.1 電池能量密度解釋

您需要了解電池能量密度，才能在選擇機器人電源時做出明智的決定。電池能量密度是指電池相對於其重量或體積所能儲存的能量。您通常會看到兩個關鍵指標：比能量密度 (Wh/kg)，它將能量與重量進行比較；體積能量密度 (Wh/L)，它將能量與體積進行比較。對於協作機器人來說，電池能量密度直接影響效率和效能。更高的能量密度意味著您可以設計出運行時間更長、更容易適應緊湊空間的機器人，這對於以下行業至關重要： Medical 以及機器人.

1.2 協作機器人的優勢

高能量密度為協作機器人帶來幾個優勢：

您可以獲得更長的運行時間，從而減少停機時間並提高生產力。
您可以設計具有更小、更輕的電池的機器人，從而釋放感測器、執行器或有效載荷的空間。
提高功率密度，使機器人能夠處理高要求的任務工業, 安全性以及基礎設施設置.

現代機器人電池必須能夠提供高電流，支援各種負載，並在高負載運轉中保持穩定。這可確保您的協作機器人能夠長時間工作而無需頻繁充電。

考慮一下這些現實世界的影響：

高能量電池使自主安全機器人能夠巡邏更長時間並持續監控。
先進的人形機器人具有更強的機動性和更長的運行時間。
倉庫和醫療保健機器人受益於增加的功率密度，支援高效的工作流程和病患照護。

以Vbot智能伴侶機器人為例，其係統架構提升了馬達扭力密度。該機器人的電池倉容量超過600Wh，比業界上限高出38%。隨著持續研發，更高密度的電池組預計將提升30%的容量，使其能夠在戶外運作超過6小時。

使用高能量密度電池，協作機器人的生產效率也會提升。例如，現代汽車、起亞和三星SDI之間的合作致力於開發專為機器人設計的高性能電池。這些努力突破了當前電池技術的局限性，並推動了各行業的生產效率提升。

高能量密度還可以實現更緊湊的機器人設計：

較小的電池可以減輕整體重量，並可作為結構元素，增加功能空間。
液壓人形機器人整合液壓迴路配合機械結構，增強關節動力及散熱。
這些設計選擇使機器人更有效率，更能適應各種應用。

電池能量密度要求因應用而異。在醫療保健領域，您需要針對長時間運行進行最佳化的電池，以支援患者護理。在物流領域，您可能需要優先考慮能夠承受高扭力運動和快速充電的電池，以適應快節奏的環境。

案例研究

Kim 和同事開發的可拉伸電池可拉伸至其長度的 90%，並可承受 36,000 次變形循環，為軟機器人提供動力。
科托夫教授的鋅空氣電池比能量為 842 Wh/kg，可為小型玩具機器人提供動力，性能優於傳統的鋰離子電池。
Aubin 等人展示了一種氧化還原液流電池系統，可讓機器魚運作超過 36 小時，展現了連續運作的潛力。

1.3 機器人中的鋰電池

鋰離子電池鋰離子電池是協作機器人的主要電源。其高功率密度、長循環壽命和快速充電功能將為您帶來許多好處。與傳統電池相比，鋰離子電池在運作效率和可靠性方面具有顯著優勢。

獨特之處	鋰離子（NMC、LCO、LMO、LTO）	磷酸鐵鋰	凝膠電池	鉛酸電池
平台電壓	3.6-3.7V（NMC、LCO、LMO、LTO）	3.2V	2V	2V
能量密度	150-250Wh/kg	90-140Wh/kg	30-50Wh/kg	30-40Wh/kg
循環壽命	1000-3000 +	2000-7000 +	1000-1300	400-600
放電深度	80，90％	80，90％	50，60％
充電率	攝氏1度（1小時）	1C	0.3攝氏度（3.3小時）	0.2攝氏度（5小時）
效率	95，98％	95，98％	80，85％	不適用
記憶效應	無	無	關於演講與演出	關於演講與演出

條形圖按放電深度、充電週期、充電速率和效率比較機器人中的鋰電池、凝膠電池和鉛酸電池

為協作機器人選擇鋰離子電池可為您帶來以下幾個關鍵優勢：

壽命更長：高達4500次循環，遠超過GEL和鉛酸電池。
充電更快：約一小時即可充滿電，最大限度地減少停機時間。
更高的效率：95-98%，減少了能量損失並支持消費性電子和安全系統中的苛刻應用。

鋰離子電池，包括磷酸鐵鋰 (LiFePO4)、鎳鈷錳三元 (NMC)、鈷酸鋰 (LCO)、鋰錳氧化物 (LMO) 和鈦酸鋰 (LTO) 等化學成分，可提供現代協作機器人所需的高功率密度和可靠性。其卓越的放電深度和快速的充電速度使其成為自動導引車 (AGV) 和自主移動機器人的理想選擇。

製造商在提高電池能量密度方面面臨挑戰。您必須考慮當前電池技術的限制、對輕量化和高效電源的需求，以及將電池整合到行動機器人設計中的複雜性。尺寸和結構限制，以及對兼具動力和結構功能的多功能電池的需求，推動著該領域的持續創新。

在評估協作機器人的電池解決方案時，優先考慮高能量密度和功率密度，以最大限度地提高營運效率和生產力。

第 2 部分：協作機器人電池的安全性

2.1 安全風險與挑戰

當你在以下環境中部署協作機器人時 Medical, 機器人，或者工業，您必須應對高能量密度所帶來的風險。鋰離子電池為大多數協作機器人提供動力，但其化學性質會帶來獨特的危險。您面臨多種安全風險，這些風險可能會影響機器人的性能和工作場所的安全。

安全風險	產品說明
熱失控	電池過熱並可能導致火災或爆炸的情況。
過度收費	充電超過規定時間，造成熱量和能量過多。
過熱	過度使用造成的高溫會加速熱失控。
故障	製造缺陷或短路會產生過多的熱。
粉碎/穿透	電池的物理損壞會導致能量釋放和過熱。
第二天早上，您的嘴唇將處於最佳化妝狀態。	過量的水會導致短路並與電池化學物質發生反應，導致熱失控。

將鋰離子電池整合到協作機器人時，必須考慮這些風險。高能量密度會增加發生熱事件的可能性，尤其是在機器人靠近人類操作的應用中。過度充電、過熱和物理損壞都可能引發危險的反應。在安防系統和基礎設施等領域，電池故障可能會中斷運作並構成安全威脅。

2.2 電池設計中的安全特性

您需要強大的安全功能來保護您的機器人及其周圍的工作人員。協作機器人的電池組現在包含多層保護。這些功能有助於預防常見危險，並確保符合國際安全標準。

主要安全功能包括：

熱管理系統：這些系統監控和調節電池溫度，降低過熱的風險。
過充過放保護：積體電路可防止電池充電或放電超出安全限度。
物理屏障和圍欄：加固外殼可保護電池免於擠壓或穿透。
先進的電池管理系統（BMS）：這些系統提供即時監控、故障偵測以及異常時自動關閉。

您還必須遵守全球安全標準，以確保安全操作。下表總結了與協作相關的最相關標準機器人電池:

安全標準	產品說明
ISO / TS 15066	指導協作機器人的設計和操作，定義人機互動的安全要求。
IEC 62133	為鋰離子電池的安全提供指導，並專注於熱管理和過充電保護。
IEC 61508	解決電子系統的功能安全問題，確保電池管理系統的安全運作。

在部署之前，您應始終驗證鋰離子電池和電池組是否符合這些標準。在醫療和消費性電子應用中，遵守這些準則對於法規遵循和使用者安全都至關重要。

2.3 電池安全創新

最近的創新改變了協作機器人的電池安全性。固態電池現在提供比傳統鋰離子電池更安全的替代品。為您的機器人選擇固態電池，您將獲得以下幾大優勢：

獨特之處	固態電池	傳統鋰離子電池
耐熱性	最高工作溫度為 125°C	耐熱性較低
易燃	由於不含液體，因此不易燃	因含有液體電解質而易燃
壽命	60°C 下 100 天內容量維持 90%	60°C 下 10 天內容量維持 90%
維護需求	免維護環境	需要頻繁更換

固態電池採用固態電解質，消除了洩漏風險並降低了可燃性。它具有更高的耐熱性和更長的使用壽命，尤其適用於嚴苛的工業和機器人環境。此外，這類電池維護成本更低，降低了意外停機的風險。

先進的電池管理系統 (BMS) 進一步提升了安全性。現代 BMS 解決方案提供即時監控、預測分析和自動故障回應。您可以在問題惡化之前檢測到問題，從而確保持續安全運行。這些系統符合 IEC 61508 等專注於電子系統功能安全的標準。

但是，您必須考慮實施高級安全功能的成本影響。下表概述了主要的成本因素：

成本因素	產品說明
初始投資	先進的安全功能導致協作機器人的初始投資更高。
持續營運成本	這些特點會導致持續營運成本增加，包括維護和電力成本。
總擁有成本（TCO）	TCO 包括與機器人相關的所有成本，強調了購買前考慮這些因素的重要性。

採用固態電池或先進的 BMS 可能會面臨更高的前期成本，但這些投資可以降低長期風險並提高可靠性。如需客製化電池安全解決方案諮詢，請點擊此處。

您應該始終在高能量密度需求和強大的安全功能之間取得平衡。透過投資最新的電池技術和管理系統，您可以保護員工，確保合規性，並最大限度地提升協作機器人的價值。

您必須在高能量密度和安全性之間取得平衡，才能讓協作機器人達到最佳效能。請考慮電池化學成分、熱管理和智慧監控，以確保效率和使用壽命。選擇符合您應用需求的電池方案。未來的電池將追求更高的效率、更長的使用壽命和更強大的性能。

因子	產品說明
電池化學	影響效率、壽命和安全性。
熱管理	保持性能並防止過熱。
智能電池管理	延長使用壽命並確保最佳性能。
申請條件	決定效率和安全性的最佳電池選擇。