Wie man die beste Batterie für das Design von medizinischen Gesundheitsgeräten auswählt

Einleitung

Die Auswahl einer geeigneten Primärzelle kann ein Balanceakt zwischen mehreren konkurrierenden Anforderungen sein. Sie möchten eine Batterie, die über ausreichend Kapazität verfügt, um Ihr Gerät für eine angemessene Zeit mit Strom zu versorgen, und der Ausgangsspannungsbereich muss für die integrierten Schaltkreise, die Sie betreiben, geeignet sein. Typischerweise werden Sie eine möglichst kleine Batteriegeröße anstreben, um die Gesamtabmessungen des Produkts zu minimieren. Sie sollten Kosten, Verfügbarkeit und Haltbarkeit berücksichtigen. Als Ingenieure liegt es auch in unserer Verantwortung, die Umweltbelastung unserer Designentscheidungen zu berücksichtigen. Es ist möglich, dass die Batterie, die wir für unsere Produkte auswählen, viele Jahre auf Deponien landen könnte. Um die Entscheidung des Designers zu unterstützen, konzentrieren wir uns auf die am häufigsten verwendeten Batterietechnologien Alkaline, Lithium Metall, Silberoxid und Zink-Luft und bewerten sie für die Verwendung in einem Einmal-Elektrokardiogramm (EKG)-Brustpatch-Design.

Primär- vs. Sekundärbatterien

Der Hauptunterschied zwischen Primär- und Sekundärzellenbatterien besteht darin, dass Primärzellenbatterien nicht wiederaufladbar sind, während Sekundärbatterien wiederaufladbar sind. Bei Primärzellenbatterien ist die elektrochemische Reaktion, die auftritt, nicht reversibel. Sobald die Anode oxidiert, kann die Batterie keinen Strom mehr erzeugen. Bei einer wiederaufladbaren Batterie kann die Anode deoxidiert werden. Daher kann die Batterie wiederaufgeladen und wiederverwendet werden. Eine Sekundärbatterie ist in der Regel teurer als die Primärzellenbatterie, was sie normalerweise von der Verwendung in Einwegsystemen ausschließt. Primärzellenbatterien haben auch eine längere Lagerfähigkeit aufgrund ihres niedrigen Selbstentladestroms, aber wiederaufladbare Sekundärzellenbatterien können mehr Energie liefern, insbesondere bei Anwendungen mit hohem Strombedarf.   Die Umweltauswirkungen der verschiedenen Batterietypen sind ein komplexes Thema. Einerseits sind Sekundärbatterien wiederverwendbar und müssen nicht so oft ersetzt werden, was bedeutet, dass weniger Abfall entsteht. Andererseits enthalten Sekundärbatterien gefährliche Materialien, die schädlich für die Umwelt sein können. Primärzellenbatterien enthalten ebenfalls gefährliche Materialien, jedoch in viel geringerer Konzentration. Beim Vergleich der beiden Batterietypen auf Basis einer einzelnen Batterie entladen Sekundärzellen mehr Treibhausgase und erzeugen mehr gefährlichen Abfall als Primärzellenbatterien. Nach zwanzig Ladezyklen produzieren Sekundärbatterien jedoch 90% weniger Abfall als Einweg-Primärbatterien und werden daher als umweltfreundlicher angesehen.

Medizinische Standards

Batterien für medizinische Anwendungen müssen strenge Sicherheits- und Leistungsstandards erfüllen. Der ANSI/AAMI ES 60601-1 Standard für medizinische elektrische Geräte spezifiziert mehrere regulatorische Standards, mit denen Batterien konform sein müssen, einschließlich IEC 60086-4 und IEC 60086-5 für Primärzellenbatterien sowie UL2054 für Haushalts- und Gewerbebatterien. Darüber hinaus gibt es spezifische Standards für verschiedene Anwendungen, wie zum Beispiel ISO 20127 für elektrische Zahnbürsten.   Die FDA hat ebenfalls spezifische Anforderungen für Lithiumbatterien, einschließlich der Anforderung, dass sie in einer UL-zertifizierten Fabrik hergestellt werden müssen und jede Batterie für eine Fehleranalyse rückverfolgbar sein muss. Neben der Auswahl der richtigen Batteriezusammensetzung ist es wichtig, den Batterienhersteller genau zu prüfen, um sicherzustellen, dass dieser die FDA- und IEC-Vorschriften für Ihre Anwendung einhält.

Spannungsbereich

Primärzellenbatterien sind typischerweise in zwei Spannungsbereichen erhältlich, 1,5 V und 3,3 V. Die Wahl des Spannungsbereichs hängt von der Anwendung ab. Abwärtswandler sind im Allgemeinen effizienter als Aufwärtswandler. Eine gängige Strategie bei Batteriereglern ist die Verwendung eines Abwärts-/Aufwärtswandlers, um den Spannungsbereich der Batterie zu maximieren. Abwärts-/Aufwärtswandler sind jedoch in der Regel größer und erfordern mehr externe Komponenten als Abwärtswandler, da sie vier Schalter statt zwei haben.

Alkali

Alkaline-Batterien sind die am häufigsten verwendeten Primärzellen, zum Teil aufgrund ihrer Eignung zur Versorgung von analogen Schaltungen, wie sie in Fernsehfernbedienungen oder Uhren zu finden sind. Diese Batterien haben im Vergleich zu anderen Batterietypen einen hohen Innenwiderstand, der beim Entladen der Batterie zunimmt. Aufgrund dieser Eigenschaft sind Alkaline-Batterien in der Regel nicht für digitale Schaltungen geeignet, die höhere Lasten erfordern oder verschiedene Betriebsmuster und Betriebsmodi haben. Alkaline-Zellen weisen auch einen höheren Innenwiderstand auf, wenn die physikalische Größe der Zelle abnimmt. Daher können Anwendungen mit höherem Stromverbrauch, wie etwa ein Spielzeug mit vielen LEDs und Lautsprechern, eine D-Zelle benötigen, während eine Uhr mit einer Knopfzelle betrieben werden kann. Alkaline-Batterien gelten als sicher in der Verwendung und Lagerung, mit minimaler Sorge um Explosionen oder Lecks, und unterliegen nicht den gleichen regulatorischen Standards wie eine Li-Ionen-Batterie.
 
Alkaline-Batterien werden aufgrund ihrer begrenzten Leistungsabgabe und kurzen Lebensdauer im Vergleich zu anderen Batterietypen nicht typischerweise für medizinische Geräte verwendet. In medizinischen Anwendungen finden sie sich in kostengünstigen Glukosemessgeräten, Thermometern und anderen Geräten, die selten genutzt werden und nicht für kritische Funktionen erforderlich sind.

Es gibt mehrere Lithium-basierte Primärbatterien auf dem Markt, bei denen alle Lithium als Anodenmaterial und ein Metall als Kathode verwenden. Diese werden allgemein als Lithium-Metall-Batterien bezeichnet. Die zwei am häufigsten verwendeten Lithium-Metall-Primärbatterien sind Lithium-Manganoxid (LiMnO2) und Lithium-Eisensulfid (LiFeS2).   LiMnO2-Batterien haben eine Nennspannung von 3 V und einen geringen Innenwiderstand. Dies macht sie gut geeignet für digitale Anwendungen, die unterschiedliche Lastprofile und Arbeitszyklen erfordern. LiFeS2-Batterien haben eine Nennspannung von 1,5 V und einen ähnlichen Innenwiderstand. Sie werden häufig als direkter Ersatz für Alkali-Batterien in Geräten verwendet, die diese Spannung benötigen.   Lithium-Metall-Batterien neigen zu Leckagen und Explosionen, erfordern daher eine spezielle Handhabung und Transportbeschränkungen. Sie bieten jedoch eine Reihe von Vorteilen gegenüber Alkali-Batterien: die doppelte Kapazität in ähnlichen Formfaktoren, eine längere Lebensdauer und ein geringeres Gewicht.   Infolgedessen ersetzen Lithium-Metall-Batterien in vielen Anwendungen Alkali-Batterien. Lithium-Metall-Batterien werden auch in kritischen medizinischen Geräten wie kontinuierlichen Glukosemessgeräten, Infusionspumpen und implantierbaren Geräten wie Defibrillatoren eingesetzt.

Silberoxid-Batterien

Silberoxid (Ag-O)-Batterien sind eine weitere verbreitete Primärzellen-Batterie, die Silber für die Kathode und Zink für die Anode verwendet. Sie haben eine ähnliche Nennspannung wie Alkali-Batterien (nämlich 1,55 V), aber eine höhere Kapazität und eine flachere Entladungskurve, was sie für digitale Anwendungen geeignet macht. Aufgrund des Silberanteils in der Kathode können Ag-O-Batterien in großen Größen teuer sein, weshalb sie hauptsächlich in Münz- oder Knopfzellformaten verwendet werden.

Historisch neigten Ag-O-Batterien dazu, zu lecken, und es wurde Quecksilber hinzugefügt, um die Korrosion zu bekämpfen. In den letzten Jahren haben Batterienhersteller jedoch andere Wege gefunden, die Korrosion ohne den Einsatz von Quecksilber zu minimieren, was Ag-O-Batterien erheblich umweltfreundlicher macht. Ag-O-Batterien sind im Allgemeinen sicherer und halten länger als Lithiumbatterien, während sie eine ähnliche Entladungskurve aufweisen, jedoch aufgrund der Silberkathode höhere Kosten verursachen, was ihre Anwendung in kostengünstigeren Anwendungen einschränkt. Da die Silberbeschichtung das Risiko von Infektionen durch implantierbare Geräte reduzieren kann, wird die Ag-O-Batteriechemie zunehmend in implantierbaren Geräten eingesetzt.

Zink-Luft

Zink-Luft-Batterien haben eine einzigartige Batterietechnologie im Vergleich zu früheren Batterietechnologien. Zink-Luft-Batterien besitzen eine Zinkanode und die Umgebungsluft fungiert als Kathode, mit einem elektrolytischen Paste dazwischen. Die Zelle ist in einem typischen Knopfzellen-Batterie-Formfaktor konstruiert, mit einer Öffnung im Gehäuse, um Luft hineinzulassen. Bevor die Batterie benutzt wird, ist die Öffnung versiegelt, um zu verhindern, dass Luft in die Zelle eindringt. Sobald die Versiegelung gebrochen wird, wird Sauerstoff an der Kathode eingeführt und Elektronen beginnen ihren Fluss von der Zinkanode durch die elektrolytische Paste zur Kathode. Da die Kathode nicht wie bei anderen Batterietechnologien aus Metall besteht, sind Zink-Luft-Batterien leicht und kostengünstig. Sie halten auch ihre Ladung und haben eine relativ konstante Entladerate. Zink-Luft-Batterien haben einen Ausgangsspannungsbereich von 0,9 V bis 1,4 V.

Da die Batterie der Umwelt ausgesetzt sein muss, um zu funktionieren, ist ihre Verwendung in medizinischen Geräten eingeschränkt. Viele medizinische Geräte benötigen einen gewissen Schutz vor der Umgebung, den Zink-Luft-Batterien nicht bieten. Diese Chemien werden am häufigsten für Hörgerätebatterien verwendet, da sie eine leichte Konstruktion und eine lange Lebensdauer aufweisen.

Anwendungsbeispiel

Da wir nun die gängigen verfügbaren Batterietechnologien und deren Vorteile überprüft haben, wollen wir ein Anwendungsbeispiel durchgehen. Für dieses Beispiel betrachten wir ein EKG-Brustpflaster mit einer gewünschten Laufzeit von 5 Tagen. Dieses tragbare Pflaster wird so konzipiert, dass es wegwerfbar, vollständig versiegelt (Batterie kann nicht ersetzt werden), wasserdicht ist und über eine Bluetooth®-Verbindung die EKG-Daten drahtlos überträgt. Das Pflaster wird zudem einen MAX30208-Temperatursensor enthalten, um die Körpertemperatur des Patienten zu messen, sowie einen ADXL367-Beschleunigungssensor, um Informationen über die Patientenaktivität zu überwachen. Es kann in einem Krankenhaus eingesetzt werden, in einer ambulanten Klinik sowie zu Hause beim Patienten. Wir wissen, dass wir den MAX30001 als EKG-Analog-Frontend (AFE) und die MAX32655-Mikrocontroller-Einheit (MCU) in dieser Anwendung verwenden möchten. Wir werden die Energiemanagementlösung entsprechend der Batterie auswählen.

Basierend auf diesen Anforderungen können wir eine geeignete Entscheidung über die zu verwendende Batterie treffen. Das tragbare Design ist kompakt, was bedeutet, dass der Formfaktor der Batterie klein und leicht sein sollte, daher sollten wir darauf abzielen, einen Münzzellen-Formfaktor zu verwenden. Wir können Lithiumdisulfid-Batterien ausschließen, da sie nicht in Münzzellen-Formfaktoren gefunden werden. Wir wissen, dass der Patch ein Einwegprodukt ist, sodass wir keine Sekundär- oder wiederaufladbare Batterie verwenden können. Wir wissen auch, dass die Batterie vollständig versiegelt ist, was uns von der Verwendung einer Zink-Luft-Zelle ausschließt. Bluetooth-Kommunikation und die verschiedenen Betriebsarten des MAX32655 führen uns auch zu der vernünftigen Annahme, dass eine Alkali-Batterie diese Anwendung aufgrund ihres hohen Innenwiderstands nicht unterstützen könnte. Das lässt uns als Optionen Primärzellen-Batteriechemien aus Lithium-Mangan und Silberoxid.   Die Lithium-Mangan-Batterie hat eine nominale Ausgangsspannung von 3,0 V und eine höhere spezifische Energie als Silberoxid-Batterien. Wir können leicht eine (Silberoxid-) CR2032-Batterie beziehen, die eine Kapazität von 235 mAh hat. Die Silberoxid-Batterie hat eine nominale Ausgangsspannung von 1,55 V und der größte Münzzellen-Formfaktor, den wir im Handel finden können, ist eine SR44W-Batterie mit einer Kapazität von 200 mAh. Wenn wir zu unserem Design zurückkehren und die Anforderungen betrachten, sehen wir, dass wir eine Laufzeit von 5 Tagen für unseren Patch benötigen. Durch die Erstellung eines Lastprofils stellen wir fest, dass der Patch voraussichtlich 45 mA pro Tag oder 225 mA über 5 Tage verbrauchen wird. Das Erfordernis einer Batterie mit höherer Kapazität schließt die Silberoxid-Münzzelle aus und lässt uns mit einer Lithium-Mangan-Batterie als unsere Wahl für diese Anwendung.

Fazit

Die Auswahl der richtigen Batterie für Ihre Anwendung erfordert eine sorgfältige Berücksichtigung von Form, Passform und Funktion. Durch das Verständnis der Stärken und Schwächen jeder Batterietechnologie können Sie die beste Batterie für Ihre Systemdesign-Anforderungen auswählen.

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