考虑到电池供电医疗设备的全球扩张，很容易理解为什么会有近乎无限的电池类型和化学性质可供选择。然而，每个应用都有自己的一套电源要求，独特的电池技术可能最好地满足这些要求。本文探讨了为您的医疗设备设计选择合适电池的注意事项，并讨论了 5 种常见的电池选择。
前言
选择合适的原电池可能需要在多个相互竞争的要求之间取得平衡。您需要一个具有足够容量的电池来为您的设备供电足够长的时间，并且输出电压范围必须适合您要供电的集成电路。通常，您会希望电池尺寸尽可能小，以尽量减少整体产品尺寸。您需要考虑成本、可用性和保质期。作为工程师，我们也有责任考虑我们的设计决策对环境的影响。我们为产品选择的电池可能会在垃圾填埋场中放置很多年。为了帮助设计人员做出决定，我们将重点介绍最常用的碱性电池、锂金属电池、氧化银电池和锌空气电池化学成分，并评估它们在一次性心电图 (ECG) 胸贴设计中的应用。
一次电池与二次电池
一次电池和二次电池之间的主要区别在于，一次电池不可充电，而二次电池可以充电。在原电池中，发生的电化学反应是不可逆的。一旦阳极氧化，电池就无法再产生电能。在可充电电池中，阳极可以脱氧。因此，电池可以充电并重复使用。二次电池通常比一次电池昂贵，因此不能用于一次性系统。原电池的自放电电流较低，因此保质期较长，但可充电的二次电池可提供更多电量，尤其是在大电流应用中。
不同类型电池对环境的影响是一个复杂的问题。一方面，二次电池可重复使用，不需要经常更换，这意味着产生的浪费更少。另一方面，二次电池含有可能对环境有害的危险物质。原电池也含有有害物质，但浓度要低得多。以单个电池来比较这两种电池，二次电池比一次电池排放更多的温室气体，产生更多的有害废物。不过，经过二十次充电循环后，二次电池产生的废物比一次性原电池少 90%，因此被认为更环保。
医疗标准
用于医疗应用的电池必须符合严格的安全和性能标准。医疗电气设备的 ANSI/AAMI ES 60601-1 标准规定了电池必须符合的几项监管标准，包括针对原电池的 IEC 60086-4 和 IEC 60086-5，以及针对家用和商用电池的 UL2054。此外，还有针对不同应用的特定标准，例如针对电动牙刷的 ISO 20127。
FDA对锂电池也有具体的要求，包括必须在获得UL认证的工厂生产，每一块电池都必须可追溯以进行故障分析。除了选择正确的电池化学成分外，还需要仔细检查电池制造商，以确保他们符合 FDA 和 IEC 针对您的应用的规定。
电压范围
原电池通常有两种电压范围：1.5 V 和 3.3 V。选择使用哪个范围取决于应用。降压转换器通常比升压转换器效率更高。电池调节器的常见策略是使用降压-升压转换器，以最大限度地扩大电池电压范围。然而，降压-升压转换器通常更大并且需要比降压转换器更多的外部元件，因为它们有四个开关而不是两个。
表 1. 原电池电芯对比
图 1. 原电池化学成分
碱性电池
碱性电池是使用最多的原电池，部分原因是它们适合为模拟电路供电，如电视遥控器或时钟中的模拟电路。与其他化学电池相比，这些电池具有较高的内阻，并且随着电池放电而增加。由于这种特性，碱性电池通常不适合需要更高负载或具有不同占空比和操作模式的数字电路。随着电池物理尺寸的减小，碱性电池也表现出更高的内阻。因此，电流较大的应用（例如带有许多 LED 和扬声器的玩具）可能需要 D 型电池，而时钟则可以使用纽扣电池供电。碱性电池被认为可以安全使用和储存，几乎不用担心爆炸或泄漏，并且不受与锂离子电池相同的监管标准限制。
与其他化学电池相比，碱性电池由于功率输出有限、寿命短，通常不用于医疗设备。在医疗应用中，它们可用于低成本血糖仪、温度计和其他不常用且不需要关键功能的设备。
图 2. 锂离子原电池：锂二氧化锰 (Li-M 或 LiMnO2) 以及锂二硫化物 (Li-FeS2)
市场上有几种基于锂的原电池，它们都使用锂作为阳极材料，使用金属作为阴极。这些通常被称为锂金属电池。最广泛使用的两种锂金属原电池是锂二氧化锰（LiMnO2）和二硫化锂（LiFeS2）。
LiMnO2电池的标称输出电压为3V，内阻较低。这使得它们非常适合需要不同负载曲线和占空比的数字应用。LiFeS2 电池的标称输出电压为 1.5 V，内阻也相似。在需要此电压的设备中，它们通常被用作碱性电池的直接替代品。
锂金属电池容易发生泄漏和爆炸，因此需要特殊的处理和运输限制。不过，与碱性电池相比，它们具有许多优点：在外形尺寸相似的情况下，容量是碱性电池的两倍，寿命更长，重量更轻。
因此，锂金属电池在许多应用中取代了碱性电池。锂金属电池还用于关键医疗设备，如连续血糖仪、输液泵和除颤器等植入式设备。
氧化银电池
氧化银（Ag-O）电池是另一种常见的原电池，使用银作为阴极，使用锌作为阳极。它们具有与碱性电池相似的标称输出电压（即 1.55 V），但容量更高、放电曲线更平坦，使其适用于数字应用。由于阴极中含有银，大尺寸的 Ag-O 电池价格昂贵，因此它们主要用于纽扣电池或钮扣电池形状。
图 3. 氧化银电池通常用作手表电池
从历史上看，Ag-O 电池容易发生泄漏，因此会在电池中添加汞来中和腐蚀。近年来，电池制造商已经能够找到不使用汞的其他方法来最大程度地减少腐蚀，从而使 Ag-O 电池对环境更加可持续。Ag-O 电池通常比锂电池更安全、使用寿命更长，同时具有相似的放电曲线，但由于银阴极导致成本更高，限制了其在低成本应用中的采用。由于银涂层可降低植入式设备引起感染的风险，Ag-O 电池化学成分正越来越多地应用于植入式设备中。
锌空气电池
与以往的电池化学成分相比，锌空气电池具有独特的电池化学成分。锌空气电池的阳极是锌，阴极是环境空气，中间有电解浆。该电池采用典型的纽扣电池形状，外壳上有一个开口，以便空气进入。在使用电池之前，开口被密封，以防止空气进入电池。一旦密封被破坏，氧气就会进入阴极，电子开始从锌阳极流过电解糊，到达阴极。由于阴极不像其他化学电池那样是金属，锌空气电池重量轻、成本低。它们还能保持电量，并且具有相对平稳的放电率。锌空气电池的输出电压范围为 0.9 V 至 1.4 V。
图 4. 助听器通常由锌空气电池供电
由于电池必须暴露在环境中才能运行，因此其在医疗设备中的使用受到限制。许多医疗设备需要一定程度的环境保护，而锌空气电池则无法做到这一点。由于结构轻巧、使用寿命长，这些化学物质最常用于助听器电池。
应用示例
现在我们已经回顾了常见的电池化学成分以及它们能为我们提供什么，让我们逐步了解一个应用示例。在这个例子中，我们考虑一个期望运行时间为 5 天的 ECG 胸部贴片。该可穿戴贴片将设计为一次性的、完全密封的（电池无法更换）、防水的，并具有蓝牙®通信功能，可无线传输心电图数据。该贴片还将包括一个 MAX30208 温度传感器，用于记录患者的体温，以及一个 ADXL367 加速度计，用于监测有关患者活动的信息。它可以在医院、门诊以及患者家中使用。我们知道，我们希望在此应用中使用 MAX30001 作为 ECG 模拟前端 (AFE) 和 MAX32655 微控制器单元 (MCU)。我们会根据电池来选择电源管理方案。
图 5. ECG 贴片示例框图
根据这些要求，我们可以对要使用的电池做出适当的决定。可穿戴设备的设计结构紧凑，这意味着电池的外形尺寸应小而轻，因此我们应力求使用纽扣电池外形尺寸。我们可以排除二硫化锂电池，因为它们不以纽扣电池的形式存在。我们知道贴片是一次性的，所以我们不能使用二次或可充电电池。我们还知道电池是完全密封的，这使得我们无法使用锌空气电池。蓝牙通信和 MAX32655 的不同工作模式也使我们合理地假设碱性电池由于其高内阻而无法支持这种应用。这样，我们就可以选择锂锰电池和氧化银原电池化学成分。
锂锰电池的标称输出电压为 3.0 V，比氧化银电池的比能量高。我们可以轻松找到容量为 235 mAh 的（氧化银）CR2032 电池。氧化银电池的标称输出电压为 1.55 V，我们能找到的最大纽扣电池是 SR44W 电池，容量为 200 mAh。回过头来看我们的设计要求，就会发现我们的补丁需要 5 天的运行时间。通过构建负载曲线，我们发现贴片每天将消耗约 45 mA 电流，或 5 天内消耗 225 mA 电流。由于需要更大容量的电池，氧化银纽扣电池就不复存在了，因此我们只能选择锂锰电池。
结论
为您的应用选择电池需要仔细考虑形状、适合性和功能。通过了解每种电池化学性质的优缺点，您可以根据系统设计要求选择最佳的电池。
