【導(dǎo)讀】電池的化學(xué)組成和外形尺寸多種多樣,因此對于具體應(yīng)用,很難確定如何選擇合適的電池。本文將介紹不同的標(biāo)準(zhǔn),旨在幫助工程師選擇適合其使用場景的電池。此外,本文還將討論目前市場上常見的五種原電池化學(xué)組成及其可能適合的應(yīng)用領(lǐng)域。本文將主要討論醫(yī)療健康應(yīng)用,并提供采用原電池的各種不同產(chǎn)品的適用指南。
摘要
電池的化學(xué)組成和外形尺寸多種多樣,因此對于具體應(yīng)用,很難確定如何選擇合適的電池。本文將介紹不同的標(biāo)準(zhǔn),旨在幫助工程師選擇適合其使用場景的電池。此外,本文還將討論目前市場上常見的五種原電池化學(xué)組成及其可能適合的應(yīng)用領(lǐng)域。本文將主要討論醫(yī)療健康應(yīng)用,并提供采用原電池的各種不同產(chǎn)品的適用指南。
簡介
選擇合適的原電池可能需要在多個(gè)相互沖突的要求之間進(jìn)行權(quán)衡。您希望電池容量足夠大,能夠在較長時(shí)間內(nèi)為設(shè)備持續(xù)供電,并且輸出電壓范圍符合集成電路供電需求。通常,您會希望電池尺寸越小越好,以盡量縮小產(chǎn)品的整體尺寸。此外,還需要考慮成本、供貨情況和保質(zhì)期。作為工程師的職責(zé),我們還必須考慮設(shè)計(jì)決策對環(huán)境的影響。我們?yōu)楫a(chǎn)品選擇的電池最終可能會被丟進(jìn)垃圾填埋場,一直堆放在那里很多年。為了幫助設(shè)計(jì)人員正確選型,我們將重點(diǎn)關(guān)注常用的堿性電池、鋰金屬電池、氧化銀電池和鋅空氣電池的化學(xué)組成,并評估它們在一次性心電圖(ECG)胸貼設(shè)計(jì)中的使用情況。
原電池與二次電池
原電池和二次電池之間的主要區(qū)別在于原電池不可充電,而二次電池可以充電。原電池中發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)是不可逆的。一旦陽極氧化,電池就無法再產(chǎn)生電能。而在可充電電池中,陽極可以被脫氧。因此,電池可以充電并重復(fù)使用。二次電池通常比一次電池昂貴,一般不會用于一次性系統(tǒng)。原電池由于自放電電流較低而具有較長的保質(zhì)期,但是可充電的二次電池可以提供更多電量,尤其是在大電流應(yīng)用中。
不同類型電池對環(huán)境造成影響的問題比較復(fù)雜。一方面,二次電池可重復(fù)使用,不需要經(jīng)常更換,這意味著產(chǎn)生的廢物更少。另一方面,二次電池含有可能對環(huán)境有害的危險(xiǎn)物質(zhì)。原電池也含有危險(xiǎn)物質(zhì),但濃度要低得多。在比較這兩種類型的電池時(shí),單就一塊電池而言,二次電池比原電池排放的溫室氣體多,產(chǎn)生的危險(xiǎn)廢物多。然而,經(jīng)過20次充電循環(huán)后,二次電池產(chǎn)生的廢物比一次性原電池少90%,因此被認(rèn)為更加環(huán)保。1
醫(yī)療應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)
醫(yī)療應(yīng)用電池必須滿足嚴(yán)格的安全和性能標(biāo)準(zhǔn)。針對醫(yī)療電氣設(shè)備的ANSI/AAMI ES 60601-1標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了電池必須符合的幾項(xiàng)監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn),包括針對原電池的IEC 60086-4和IEC 60086-5,以及針對家用和商用電池的UL2054。此外,還有針對不同應(yīng)用的特定標(biāo)準(zhǔn),例如針對電動(dòng)牙刷的ISO 20127。2
FDA對鋰電池也有具體要求,包括必須在經(jīng)過UL認(rèn)證的工廠生產(chǎn),并且每塊電池必須可溯源以便進(jìn)行故障分析。除了正確選擇電池化學(xué)組成,還必須仔細(xì)審查電池制造商,以確保其符合FDA和IEC的相關(guān)應(yīng)用法規(guī)要求。2
電壓范圍
原電池通常提供兩種電壓范圍:1.5 V和3.3 V。應(yīng)選用哪個(gè)電壓范圍取決于具體應(yīng)用。降壓轉(zhuǎn)換器通常比升壓轉(zhuǎn)換器更高效。3電池調(diào)節(jié)器一般采用降壓-升壓轉(zhuǎn)換器,以盡可能提高電池的電壓范圍。然而,降壓-升壓轉(zhuǎn)換器通常有四個(gè)(而非兩個(gè))開關(guān),所以比降壓轉(zhuǎn)換器更大,并且需要更多的外部組件。
表1.原電芯比較
圖1.原電池的化學(xué)組成。
堿性
堿性電池具有較明顯的優(yōu)勢,例如適合為電視遙控器或時(shí)鐘等模擬電路供電,是最常用的一種原電池。與其他電池化學(xué)組成相比,這些電池具有較高的內(nèi)阻,內(nèi)阻會隨著電池放電而增加。由于這一特性,堿性電池通常不適合那些需要更高負(fù)載或具有不同占空比和工作模式的數(shù)字電路。隨著電池物理尺寸減小,堿性電池的內(nèi)阻也會增大。因此,較高電流應(yīng)用(例如帶有大量LED和揚(yáng)聲器的玩具)可能需要使用1號電池(D cell battery),其中的時(shí)鐘可由紐扣電池供電。一般認(rèn)為堿性電池的使用和儲存都比較安全,幾乎不用擔(dān)心爆炸或泄漏問題,堿性電池的監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)與鋰離子電池不同。
堿性電池通常不用于醫(yī)療設(shè)備,因?yàn)榕c其他電池化學(xué)組成相比,堿性電池的功率輸出有限且使用壽命短。在醫(yī)療應(yīng)用中,堿性電池可用于低成本血糖儀、溫度計(jì)和其他不常用、非關(guān)鍵功能的設(shè)備中。
圖2.鋰離子原電池:鋰-二氧化錳(Li-M或LiMnO2)和二硫化鋰(Li-FeS2)。
市場上有幾種鋰基原電池,它們都將鋰用作陽極材料,將金屬用作陰極。這些電池通常稱為鋰金屬電池。使用最廣泛的兩種鋰金屬原電池是二氧化鋰錳(LiMnO2)和二硫化鋰(LiFeS2)。
LiMnO2電池的標(biāo)稱輸出電壓為3 V,內(nèi)阻較低。非常適合需要不同負(fù)載曲線和占空比的數(shù)字應(yīng)用。LiFeS2電池的標(biāo)稱輸出電壓為1.5 V,內(nèi)阻與LiMnO2電池類似。LiFeS2電池通??梢灾苯尤〈鷫A性電池,用于需要1.5 V電壓的設(shè)備。
鋰金屬電池容易泄漏和爆炸,因此需要進(jìn)行特殊處理和施加運(yùn)輸限制。然而,與堿性電池相比,鋰金屬電池具有許多優(yōu)勢:在相似外形尺寸下,容量是堿性電池的兩倍、使用壽命更長、重量更輕。
因此,在許多應(yīng)用中,鋰金屬電池正逐步取代堿性電池。鋰金屬電池還用于關(guān)鍵醫(yī)療設(shè)備(如連續(xù)血糖監(jiān)測儀、輸液泵和除顫器等植入設(shè)備)。4
氧化銀電池
另一種常見的原電池是氧化銀(Ag-O)電池,它將銀用作陰極,將鋅用作陽極。氧化銀電池具有與堿性電池相似的標(biāo)稱輸出電壓(即1.55 V),但容量更高,放電曲線更平坦,因而適合數(shù)字應(yīng)用。由于陰極中存在銀,大尺寸氧化銀電池會非常昂貴,因此氧化銀電池主要用于紐扣電池或扣式電池。
圖3.氧化銀電池通常用作手表電池。
以往的實(shí)際應(yīng)用表明,氧化銀電池容易泄漏,因此會在電池中添加汞來抵消腐蝕。近年來,電池制造商找到了其他方法,在不使用汞的情況下也能盡量減少腐蝕,從而使氧化銀電池對環(huán)境更具可持續(xù)性。與鋰電池相比,氧化銀電池通常更安全、運(yùn)行時(shí)間更長,兩種電池的放電曲線相似,但由于氧化銀電池采用銀陰極,導(dǎo)致其成本更高,因此限制了其在低成本場景中的應(yīng)用。由于銀涂層可以降低植入式設(shè)備引起感染的風(fēng)險(xiǎn),因此Ag-O電池化學(xué)材料越來越多地用于植入式設(shè)備。5
鋅空氣電池
與以前的電池化學(xué)組成相比,鋅空氣電池具有獨(dú)特的電池化學(xué)組成。鋅空氣電池采用鋅陽極,周圍空氣是陰極,中間有電解膏。該電池采用典型的紐扣電池形狀,外殼上有一個(gè)開口,可讓空氣進(jìn)入。在電池使用之前,開口是密封的,這樣可防止空氣進(jìn)入電池。一旦密封破損,氧氣就會從陰極進(jìn)入,電子開始從鋅陽極流過電解膏,到達(dá)陰極。由于鋅空氣電池的陰極不是金屬(其他電池的化學(xué)組成),因此鋅空氣電池重量輕且經(jīng)濟(jì)高效。它們還能保持電荷并具有相對平坦的放電率。鋅空氣電池的輸出電壓范圍為0.9 V至1.4 V。
圖4.助聽器通常由鋅空氣電池供電。
由于鋅空氣電池必須暴露在環(huán)境中才能工作,因此其在醫(yī)療設(shè)備中的使用受到限制。許多醫(yī)療設(shè)備要求在一定程度上與環(huán)境隔離,而鋅空氣電池不允許這樣做。由于這些電池構(gòu)造輕巧且使用壽命長,因此主要用于助聽器電池。
應(yīng)用示例
上面我們概述了目前常見的電池化學(xué)組成及其可提供的功能,現(xiàn)在我們通過應(yīng)用示例逐一介紹。在本例中,我們考慮一個(gè)預(yù)期運(yùn)行時(shí)間為5天的ECG胸貼。這個(gè)可穿戴貼片設(shè)計(jì)為一次性、完全密封(無法更換電池)、防水,并具有藍(lán)牙?通信功能,可通過無線方式傳輸ECG數(shù)據(jù)。該貼片還將包括一個(gè)MAX30208溫度傳感器(用于記錄患者體溫)和一個(gè)ADXL367加速度計(jì)(用于監(jiān)測患者活動(dòng)信息)。它可以在醫(yī)院環(huán)境、門診診所和患者家中使用。在本應(yīng)用中,我們將MAX30001用作ECG模擬前端(AFE),將MAX32655用作微控制器單元(MCU)。將根據(jù)電池來選擇電源管理方案。
圖5.ECG貼片示例方框圖。
根據(jù)這些要求,我們可以決定應(yīng)使用哪種電池。可穿戴產(chǎn)品設(shè)計(jì)緊湊,這意味著電池的外形尺寸應(yīng)當(dāng)小巧輕便,因此應(yīng)使用紐扣電池。首先可以排除二硫化鋰電池,因?yàn)榧~扣電池不會采用這種類型。由于貼片是一次性的,所以不能使用二次電池或可充電電池。此外電池是完全密封的,因此無法選用鋅空氣電池。還要支持藍(lán)牙通信,而且MAX32655具有不同的工作模式,根據(jù)這些要求,堿性電池由于內(nèi)阻高,顯然無法支持此應(yīng)用。我們只能選擇鋰錳和氧化銀原電池化學(xué)組成。
鋰錳電池的標(biāo)稱輸出電壓為3.0V,比氧化銀電池具有更高的比能量。我們可以輕松地用容量為235 mAh的(氧化銀)CR2032電池供電。氧化銀電池的標(biāo)稱輸出電壓為1.55 V,我們能找到的、現(xiàn)有最大的紐扣電池是容量為200 mAh的SR44W電池。我們再來看一下設(shè)計(jì)要求,貼片需要運(yùn)行5天時(shí)間。通過構(gòu)建負(fù)載曲線(在上一篇文章中進(jìn)行了更深入的討論6),我們發(fā)現(xiàn)該貼片每天預(yù)計(jì)消耗45 mA的電流,或者在5天內(nèi)消耗225 mA的電流。對更高容量電池的要求削弱了氧化銀紐扣電池的競爭優(yōu)勢,因此針對此應(yīng)用我們將選擇鋰錳電池。
結(jié)論
針對具體應(yīng)用選擇電池時(shí)需要認(rèn)真考慮外形尺寸、適配性和功能。通過了解每種電池化學(xué)組成的優(yōu)缺點(diǎn),可以合理選擇適合系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的電池。
參考文獻(xiàn)
1 Giovanni Dolci、Camilla Tua、Mario Grosso 和 Lucia Rigamonti。“能耗產(chǎn)品的生命周期評估:家用一次性電池和可充電電池的比較?!薄秶H生命周期評估雜志》,2016年第21卷。
2 Jeff Shepard?!?a >工業(yè)鋰電池和醫(yī)用鋰電池有何不同?”電池電源提示,2023年。
3“使用SIMO延長智能手表的使用壽命。”ADI公司,2019年。
4 David C Bock、Amy Marschilok、Kenneth J. Takeuchi、Esther S. Takeuchi?!?a >用于為植入式生物醫(yī)學(xué)設(shè)備供電的電池?!薄峨娀瘜W(xué)學(xué)報(bào)》,2012年第84卷。
5 J. M. Schierholz、L. J. Lucas、A. Rump 和 G. Pulverer?!?a >鍍銀醫(yī)療器械的功效?!薄夺t(yī)院感染雜志》,1998年第40卷。
6 Fahad Masood?!?a >由原電池供電的遠(yuǎn)程患者監(jiān)護(hù)儀的電源設(shè)計(jì)要素。”ADI公司,2022年4月。
(來源:ADI公司,作者:Fahad Masood,高級應(yīng)用工程師)
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