人形机器人下一代电池技术将如何演进？

人形机器人是一项正在兴起的技术，有望为社会带来革命性变革。人形机器人以人类形态为设计原型，能够适应为人类打造的环境，这种多功能性使其与自动导引车（AGV）等专用机器人区分开来。

与AGV类似，人形机器人需要一种能够可靠供电的能源，以确保其在所需时间内保持完整运行能力。

尽管现有电池技术已成功展示了人形机器人的发展潜力，但IDTechEx最新报告《2027-2037年人形机器人电池：技术、厂商与预测》聚焦于能够推动人形机器人实现市场广泛应用的技术，预计到2037年电池需求将达到10.5吉瓦时。

IDTechEx重点分析了当前及新兴电池化学体系在人形机器人中的适用性。通过对比可以看出不同化学体系在电池性能与技术成熟度之间存在的权衡关系。

当前人形机器人采用哪些电池技术

为人形机器人供电的电池能量密度需要足够高，才能完成高耗能任务并在之后持续运行。目前，基于NMC（镍钴锰）材料的锂离子电池是人形机器人最常用的技术。

这类电池在较高能量密度与人形机器人所需规格之间取得了良好平衡，即需要具备快充潜力、良好循环寿命，以及技术成熟度足够高——已经商业化或接近商业化——的电池。

通过提高正极材料中的镍含量，NMC正极的能量密度还可进一步提升，这既能增强性能，也能降低对成本高昂且供应受限的钴的依赖。

LFP（磷酸铁锂）正极被认为能量密度不足，难以支撑人形机器人的整体需求。由于NMC电池已广泛应用于众多其他领域，基于NMC的锂离子电池目前供应充足，足以支撑人形机器人市场当下及未来的发展。

IDTechEx最新发布的《2027-2037年人形机器人电池：技术、厂商与预测》报告，比较了中镍、高镍和超高镍三种锂离子NMC正极化学体系，将其作为能够支撑人形机器人发展的现有技术。

该报告还评估了固态电池和锂硫电池作为未来人形机器人关键技术选项的应用前景。

采用新兴技术有何优势

固态电池是一项获得巨额资本投入进行开发的技术，尤其受到汽车行业的大力推动。

固态电池与传统锂离子电池的区别在于，它去除了液态电解质，改用固态电解质。电池单元由正极、负极和固态电解质组成，同时也不再需要隔膜。

使用固态电池的主要优势在于其能量密度的提升，可达约400-500瓦时/千克以上。具有高比容量的金属锂可用作负极，并与高电压、高能量密度的正极材料（包括NMC）搭配，从而提升电池单元的整体能量密度。

去除易燃电解质还能提升电池单元的整体安全性。由于人形机器人将在与人类近距离接触的环境中运行，安全性的提升能够降低电池失效时对人类造成的伤害。

此外，去除隔膜使得电池单元内材料的排列更加紧密，从而提升体积能量密度。

这意味着人形机器人内部电池体积中可容纳更多活性材料的比例更高，从而能够储存更多能量，延长运行时间。

然而，固态电池的大规模量产预计要到2020年代末才会开始，比亚迪和丰田等主要电池制造商正在推动这一进程。

由于目前尚无可靠固态电解质的规模化生产方案，同时电极与固态电解质之间的界面接触问题仍未解决，固态电池在人形机器人中的应用还需数年时间；不过，这只是时间问题，而非是否会被采用的问题。

锂硫电池同样采用金属锂作为负极，并搭配碳/硫正极。两者结合可实现较高的理论能量密度，这意味着人形机器人能够获得更长的运行时间。这也是人形机器人制造商未来倾向于选择锂硫电池而非固态电池的关键驱动因素之一。

此外，由于锂硫正极使用的硫资源丰富且价格低廉，锂硫电池有望降低整体电池成本，相较于材料更为复杂的固态电池，这使其成为一种具有吸引力的替代方案。

然而，锂硫电池的大规模应用仍存在诸多限制，包括循环寿命较差以及无法承受快速充电，这两个问题均源于一种被称为“多硫化物穿梭效应”的寄生反应。该反应会在连续循环过程中不断减少活性材料的数量，导致电池持续甚至快速衰减。

这对人形机器人而言意味着电池组需要更频繁地更换。持续开展锂硫电池的研发工作，对于克服这一效应至关重要。预计锂硫电池要到2030年代初才能实现商业化，因此到2037年其在市场中所占份额仍将较小。

主图：由Longsing Energy提供