Teniendo en cuenta la expansión global de los dispositivos médicos que funcionan con baterías, es fácil entender por qué puede haber una variedad casi ilimitada de tipos de baterías y composiciones químicas para elegir. Sin embargo, cada aplicación tiene su propio conjunto de requisitos de energía, que pueden satisfacerse mejor con una tecnología de batería única. Este artículo explora las consideraciones para elegir la batería adecuada para el diseño de su dispositivo médico y analiza cinco opciones de batería populares.
Introducción
Seleccionar una batería de celda primaria adecuada puede ser un acto de equilibrio entre múltiples requisitos en competencia. Necesita una batería que tenga suficiente capacidad para alimentar su dispositivo durante suficiente tiempo y el rango de voltaje de salida debe ser adecuado para los circuitos integrados que está alimentando. Por lo general, querrá que el tamaño de batería sea el más pequeño posible para minimizar las dimensiones generales del producto. Deberá considerar el costo, la disponibilidad y la vida útil. Como ingenieros, también es nuestra responsabilidad considerar el impacto ambiental de nuestras decisiones de diseño. Es posible que la batería que seleccionamos para nuestros productos pueda terminar en vertederos durante muchos años. Para ayudar a la decisión del diseñador, nos centraremos en las químicas de baterías alcalinas, de litio metálico, de óxido de plata y de zinc-aire más utilizadas y las evaluaremos para su uso en un diseño de parche de pecho para electrocardiograma (ECG) desechable.
Baterías primarias y secundarias
La principal diferencia entre las baterías de celdas primarias y secundarias es que las baterías de celdas primarias no son recargables, mientras que las baterías secundarias sí lo son. En las baterías de celdas primarias, la reacción electroquímica que ocurre no es reversible. Una vez que el ánodo se oxida, la batería no puede generar más electricidad. En una batería recargable, el ánodo se puede desoxidar. De esta manera la batería se puede recargar y reutilizar. Una batería secundaria suele ser más cara que la batería de celda primaria, lo que generalmente impide su uso en sistemas desechables. Las baterías de celdas primarias también tienen una vida útil más larga debido a su baja corriente de autodescarga, pero las baterías de celdas secundarias recargables pueden proporcionar más energía, particularmente en aplicaciones de alto consumo de corriente.
El impacto ambiental de los diferentes tipos de baterías es un tema complejo. Por un lado, las baterías secundarias son reutilizables y no necesitan reemplazarse con tanta frecuencia, lo que significa que se generan menos desechos. Por otro lado, las baterías secundarias contienen materiales peligrosos que pueden resultar perjudiciales para el medio ambiente. Las baterías primarias también contienen materiales peligrosos, pero en una concentración mucho menor. Al comparar los dos tipos de baterías en términos individuales, las celdas secundarias descargan más gases de efecto invernadero y generan más desechos peligrosos que las baterías de celdas primarias. Sin embargo, después de veinte ciclos de recarga, las baterías secundarias producen un 90% menos de residuos que las baterías primarias desechables y, por lo tanto, se consideran más respetuosas con el medio ambiente.
Normas médicas
Las baterías para aplicaciones médicas deben cumplir estrictos estándares de seguridad y rendimiento. La norma ANSI/AAMI ES 60601-1 para equipos eléctricos médicos especifica varios estándares regulatorios que las baterías deben cumplir, incluidos IEC 60086-4 e IEC 60086-5 para baterías de celdas primarias y UL2054 para baterías domésticas y comerciales. Además, existen normas específicas para diferentes aplicaciones, como la ISO 20127 para cepillos de dientes eléctricos.
La FDA también tiene requisitos específicos para las baterías de litio, incluido que deben producirse en una fábrica certificada por UL y que cada batería debe ser rastreable para el análisis de fallas. Además de seleccionar la química correcta de la batería, es importante examinar al fabricante de la batería para asegurarse de que cumpla con las regulaciones de la FDA e IEC para su aplicación.
Rango de voltaje
Las baterías de celdas primarias generalmente se encuentran disponibles en dos rangos de tensión, 1,5 V y 3,3 V. La elección del rango que se vaya a usar depende de la aplicación. Los convertidores Buck son generalmente más eficientes que los convertidores Boost. Una estrategia común con los reguladores de batería es utilizar un convertidor reductor-elevador para maximizar el rango de voltaje de la batería. Sin embargo, los convertidores buck-boost suelen ser más grandes y requieren más componentes externos que los convertidores buck, ya que tienen cuatro interruptores en lugar de dos.
| Celda de batería primaria | V mín. | V nominal | V máx. | Energía específica |
| Alcalino | 1.1 | 1.5 | 1.65 | 200 Wh/kg |
| Zinc-aire | 0.9 | 1.4 | 1.68 | 400 Wh/kg |
| Litio-manganeso | 2 | 3 | 3.4 | 280 Wh/kg |
| Disulfuro de litio | 0.9 | 1.5 | 1.8 | 300 Wh/kg |
| Óxido de plata | 1.2 | 1.55 | 1.85 | 130 Wh/kg |
Tabla 1. Comparación de celdas de batería primaria
Figura 1. Composición química de las baterías de celdas primarias
Alcalino
Las pilas alcalinas son las pilas primarias más utilizadas por un margen considerable, en parte debido a su idoneidad para alimentar circuitos analógicos como los que se encuentran en los controles remotos de televisión o en los relojes. Estas baterías tienen una alta resistencia interna, en comparación con otras químicas de batería, que aumenta a medida que la batería se descarga. Debido a esta característica, las baterías alcalinas normalmente no son adecuadas para circuitos digitales que requieren cargas más elevadas o tienen ciclos de trabajo y modos de funcionamiento diferentes. Las células alcalinas también exhiben una mayor resistencia interna a medida que disminuye el tamaño físico de la célula. Por lo tanto, aplicaciones de mayor corriente, como un juguete con muchos LED y parlantes, pueden requerir una batería de tipo D, mientras que un reloj puede funcionar con una batería de tipo botón. Las baterías alcalinas se consideran seguras de usar y almacenar, con una preocupación mínima por explosiones o fugas, y no están sujetas a los mismos estándares regulatorios que una batería de iones de litio.
Las baterías alcalinas no suelen utilizarse en dispositivos médicos debido a su potencia de salida limitada y su corta vida útil en comparación con otras químicas de baterías. En aplicaciones médicas, se pueden encontrar en medidores de glucosa de bajo costo, termómetros y otros dispositivos que se usan con poca frecuencia y no son necesarios para funciones esenciales.
Figura 2. Baterías de celdas primarias de iones de litio: dióxido de litio y manganeso (Li-M o LiMnO2) y también disulfuro de litio (Li-FeS2)
Hay varias baterías primarias basadas en litio en el mercado, todas las cuales utilizan litio como material de ánodo y un metal como cátodo. Estas se conocen comúnmente como baterías de metal-litio. Las dos baterías primarias de litio-metal que más se usan son las de litio y dióxido de litio y manganeso (LiMnO2) y disulfuro de litio (LiFeS2).
Las baterías de LiMnO2 tienen un voltaje de salida nominal de 3 V y una resistencia interna baja. Esto los hace adecuados para aplicaciones digitales que requieren diferentes perfiles de carga y ciclos de trabajo. Las baterías LiFeS2 tienen una tensión de salida nominal de 1,5 V y una resistencia interna similar. A menudo se utilizan como reemplazo directo de las baterías alcalinas en dispositivos que requieren este voltaje.
Las baterías de metal de litio son propensas a tener fugas y explosiones, por lo que requieren restricciones especiales de manipulación y transporte. Sin embargo, ofrecen una serie de ventajas sobre las pilas alcalinas: el doble de capacidad en formatos similares, una vida útil más larga y un peso más ligero.
Como resultado, las baterías de litio-metal están reemplazando a las baterías alcalinas en muchas aplicaciones. Las baterías de litio-metal también se utilizan en dispositivos médicos críticos como medidores de glucosa continuos, bombas de infusión y dispositivos implantables como desfibriladores.
Baterías de óxido de plata
Las baterías de óxido de plata (Ag-O) son otra batería de celda primaria común que utiliza plata para el cátodo y zinc para el ánodo. Tienen un voltaje de salida nominal similar al de las baterías alcalinas (es decir, 1,55 V) con una mayor capacidad y una curva de descarga más plana, lo que las hace adecuadas para aplicaciones digitales. Debido a la presencia de plata en el cátodo, las baterías de Ag-O pueden ser costosas en tamaños grandes, por lo que se utilizan principalmente en formatos de celdas tipo moneda o de botón.
Figura 3. Las baterías de óxido de plata se utilizan comúnmente como baterías de reloj.
Históricamente, las baterías de Ag-O tendían a tener fugas y se agregaba mercurio a la celda para contrarrestar la corrosión. En los últimos años, los fabricantes de baterías han podido encontrar otras formas de minimizar la corrosión sin el uso de mercurio, lo que hace que las baterías Ag-O sean mucho más sostenibles para el medio ambiente. Las baterías de Ag-O son generalmente más seguras y duran más que las baterías de litio, además tienen una curva de descarga similar pero un costo más alto debido a que el cátodo de plata limita su adopción en aplicaciones de menor costo. Debido a que el recubrimiento de plata puede reducir el riesgo de infecciones causadas por dispositivos implantables, las químicas de baterías Ag-O se utilizan cada vez más en dispositivos implantables.
Zinc-aire
Las baterías de zinc-aire tienen una química de batería única en comparación con las químicas de batería anteriores. Las baterías de zinc-aire tienen un ánodo de zinc y el aire ambiente es el cátodo con una pasta electrolítica en el medio. La celda está construida en un formato típico de batería tipo botón con una abertura en la carcasa para permitir la entrada de aire. Antes de usar la batería, se sella la abertura para evitar que entre aire en la celda. Una vez roto el sello, se introduce oxígeno en el cátodo y los electrones comienzan su flujo desde el ánodo de zinc, a través de la pasta electrolítica, hasta el cátodo. Debido a que el cátodo no es un metal, a diferencia de otras químicas de baterías, las baterías de zinc-aire son livianas y rentables. También mantienen su carga y tienen una tasa de descarga relativamente plana. Las baterías de zinc-aire tienen un rango de voltaje de salida de 0,9 V a 1,4 V.
Figura 4. Los audífonos normalmente funcionan con pilas de zinc-aire
Debido a que la batería debe estar expuesta al medio ambiente para funcionar, su uso en dispositivos médicos es limitado. Muchos dispositivos médicos requieren un nivel de protección del medio ambiente que las baterías de zinc-aire no permiten. Estas químicas son las más utilizadas para las baterías de audífonos debido a su construcción liviana y su larga vida útil.
Ejemplo de aplicación
Ahora que hemos revisado las químicas de baterías comunes disponibles y lo que pueden ofrecernos, veamos un ejemplo de aplicación. Para este ejemplo, consideremos un parche de ECG para el pecho con un tiempo de funcionamiento deseado de 5 días. Este parche portátil estará diseñado para ser desechable, completamente sellado (la batería no se puede reemplazar), impermeable y tendrá comunicación Bluetooth® para transmitir los datos del ECG de forma inalámbrica. El parche también incluirá un sensor de temperatura MAX30208 para registrar la temperatura corporal del paciente, así como un acelerómetro ADXL367 para monitorear información sobre la actividad del paciente. Se puede utilizar en un entorno hospitalario, en una clínica ambulatoria y en el domicilio del paciente. Sabemos que deseamos usar el MAX30001 como la interfaz analógica de ECG (AFE) y la unidad de microcontrolador (MCU, por sus siglas en inglés) MAX32655 en esta aplicación. Elegiremos la solución de gestión de energía según la batería.
Figura 5. Diagrama de bloques de un ejemplo de parche de ECG
Basándonos en estos requisitos, podemos tomar una decisión adecuada sobre la batería que debemos usar. El diseño portátil es compacto, lo que significa que el factor de forma de la batería debe ser pequeño y liviano, por lo que debiéramos intentar usar un factor de forma de pila tipo botón. Podemos eliminar las baterías de disulfuro de litio, ya que no se encuentran en formatos de celdas tipo moneda. Sabemos que el parche es desechable por lo que no podemos utilizar una batería secundaria o recargable. También sabemos que la batería está completamente sellada, lo que nos impide utilizar una celda de zinc-aire. La comunicación Bluetooth y los diferentes modos de funcionamiento del MAX32655 también nos llevan a suponer razonablemente que una batería alcalina no podría soportar esta aplicación debido a su alta resistencia interna. Eso nos deja con la composición química de baterías de celdas primarias de litio-manganeso y óxido de plata como nuestras opciones.
La batería de litio y manganeso tiene un voltaje de salida nominal de 3,0 V y una energía específica mayor que las baterías de óxido de plata. Podemos conseguir fácilmente una batería CR2032 (de óxido de plata) que tiene una capacidad de 235 mAh. La batería de óxido de plata tiene un voltaje de salida nominal de 1,55 V y el formato de celda de moneda más grande que podemos encontrar en el mercado es una batería SR44W con una capacidad de 200 mAh. Si volvemos a nuestro diseño y observamos los requisitos, vemos que necesitamos un tiempo de ejecución de 5 días para nuestro parche. Al construir un perfil de carga, encontramos que el parche consumirá un estimado de 45 mA por día o 225 mA durante 5 días. El requisito de una batería de mayor capacidad elimina la pila tipo botón de óxido de plata y nos deja con una batería de litio y manganeso como nuestra opción para esta aplicación.
Conclusión
La elección de una batería para su aplicación requiere una cuidadosa consideración de la forma, el ajuste y la función. Al comprender las fortalezas y debilidades de la química de cada batería, puede seleccionar la mejor batería para los requisitos de diseño de su sistema.