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鋰離子電池發展與自主移動機器人變革趨勢

刊登日期：2021/08/01

摘要

2020年COVID-19疫情的發生，製造業為避免停工斷鏈風險，進而讓工廠中負責工廠搬運與物流運載的自主移動機器人(Autonomous Mobile Robot)以及無人搬運車(Automatic Guided Vehicle)快速發展，讓鋰離子電池的發展與自主移動機器人的演變之間形成了一種密不可分的相互發展關係，鋰離子電池技術的快速發展，奠定了無人搬運車維持正常的稼動率基礎並且符合高效率運載需求的運行速度，讓自主移動機器人由過去的搬運功能，蛻變成能從事更多的工作項目與工作環境的智慧型機器人，例如ARV(Autonomous Robotic Vacuum)、AFS(Autonomous Floor Scrubber)等功能的自主移動機器人。

Abstract

With the outbreak of COVID-19 in 2020, the manufacturing industry has rapid development of Autonomous Mobile Robots (Autonomous Mobile Robots) and Automatic Guided Vehicles (Automatic Guided Vehicles) in the main factories of automobile factories for handling and logistics to avoid the risk of shutdown caused by the pandemic. The growth of lithium-ion batteries and AMR have formed an inseparable relationship. The rapid development of lithium-ion battery technology accelerates the operating speed of unmanned vehicles to maintain a normal vitality rate and calculate high-efficiency operating rates. The autonomous mobile robot have changed from traditional handling function to more intelligent tasks that can used in various work environments, such as ARV (Autonomous Robotic Vacuum), AFS (Autonomous Floor Scrubber).

前言
鋰離子電池產業發展迄今已40餘年，整體產業發展日益成熟，因應全球暖化、節能減碳等環保訴求，車用動力廠商相繼投入電動車的研發，使鋰離子電池於電動車儲能系統的應用量屢創新高，2020年COVID-19疫情的發生，引起全球製造業的恐慌，製造業本身為了避免停工以及產品斷鏈風險，進而讓工廠中負責工廠搬運與物流運載的自主移動機器人(Autonomous Mobile Robot)以及無人搬運車(Automatic Guided Vehicle)將隨之急遽發展，讓鋰離子電池的發展與AMR的演變之間成了一種密不可分的發展關係，除了追求高電容量，鋰離子電池亦講究高循環壽命、快速充電、高安全性等性能，讓AGV與AMR自身功能的可擴充性以及工廠利用率都大幅的提高。
無人搬運車與自主移動機器人系統的應用產業範疇
無人搬運車(Automatic Guided Vehicle，AGV)，目前的應用上仍以製造工廠內以自動或人工方式裝載貨物，按設定的路線自動行駛或牽引著載貨台車至指定地點，可應用執行遠距或是危險場域裡的工作。亦可應用在工廠、學校等等環境中，執行自動化的工作，特別是在倉儲與製造業中，成為大幅提高搬運效率不可或缺的角色。AGV具有精準、高效、快速的特點，節省了各個環節的使用運載時間，結合5G系統、物聯網、派車派工系統，在各個產線與貨架之間的運送可以準確、靈活地完成物料搬運任務，搬運路線還可隨著生產工作流程的調整，進而全面的變換，使得產線的換線更為彈性。
自主移動機器人系統(Autonomous Mobile Robot, AMR)，可結合固定的機器人，讓機器人由單純定點的自動化作業蛻變成智慧化任意移動的機械，主要仍應用在更多元化、彈性化的生產製造產業亦或是客製化的生產需求之中並且取代多數人力，相較於AGV除了能夠更夠在更多樣化的場域執行更多的工作，其應用的產業範圍業能擴大至服務業、餐飲業等其他領域行業，有賴於機器手臂技術的進步，AMR也可取代人力來進入危險區域進行救援救災等各項艱困的工作。
關於AGV/AMR所使用的電池種類比較
為了靈活的移動，內建充電電池是目前AGV/AMR最佳的動力來源，而常見使用於AGV/AMR的充電電池歸納出下列幾種電池。
鉛酸電池（Lead Acid）
鉛酸蓄電池，又稱鉛蓄電池，如圖1，鉛酸蓄電池一般由正極板、負極板、隔板、電池槽、電解液和接線端子等部分組成，正極板為二氧化鉛板(PbO2），負極板為鉛板(Pb)為市面上最早普及的充電電池，可重覆充放約500次，但約10次充放電後即會漸漸產生記憶效應，不過鉛酸蓄電池具有低成本優勢，加上製造技術成熟、高低溫性能優異、穩定性與安全性高、資源可以回收再利用性好等比較優勢，一般分為可加水電池及閥控型(密閉式)電池兩種前者需要定期注酸維護，後者為免維護型但須定期檢測蓄電池，而閥控型(密閉式)電池算是早期AGV動力來源比較好的選擇。因電池本身體積與重量大、深度充放電多次後即產生記憶效應，目前已漸漸被鋰電池取代。

圖1 閥控型(密閉式)電池

鋰離子電池Lithium-ion
鋰離子電池，如圖2是目前應用最為廣泛的鋰電池，它根據不同的電子產品的要求可以做成扁平長方形、圓柱形、長方形及扣式，並且有由幾個電池串聯在一起組成的電池組。與傳統的電池技術相比，鋰離子電池充電速度更快、使用更持久，並且具有更高的功率密度與更低的自放電率，能以輕巧的體積提供更長效的電池續航力。鋰離子電池的額定電壓多半為3.6V，終止放電電壓為2.5V～2.75V。無記憶效應，避免低於終止放電電壓，導致鋰電池失效或減短使用壽命。