Cómo elegir la mejor batería para el diseño de su dispositivo médico de atención médica

Introducción

Seleccionar una batería de celda primaria adecuada puede ser un acto de equilibrio entre múltiples requisitos en competencia. Desea una batería que tenga suficiente capacidad para alimentar su dispositivo por el tiempo necesario y el rango de voltaje de salida debe ser adecuado para los circuitos integrados que está alimentando. Normalmente, querrá que el tamaño de la batería sea lo más pequeño posible para minimizar las dimensiones generales del producto. También 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 seleccionemos para nuestros productos termine en vertederos durante muchos años. Para ayudar en la decisión del diseñador, nos centraremos en las químicas de batería más utilizadas: alcalina, metal de litio, óxido de plata y zinc-aire, y las evaluaremos para su uso en el diseño de un parche torácico de electrocardiograma (ECG) desechable.

Baterías primarias vs. secundarias

La principal diferencia entre las baterías de celda primaria y las de celda secundaria es que las baterías de celda primaria no son recargables mientras que las secundarias sí lo son. En las baterías de celda primaria, 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 puede ser desoxidado. Por lo tanto, la batería puede recargarse y reutilizarse. Una batería secundaria suele ser más cara que una batería de celda primaria, lo que normalmente la excluye de su uso en sistemas desechables. Las baterías de celda primaria también tienen una vida útil más larga debido a su baja corriente de autodescarga, pero las baterías recargables de celda secundaria pueden proporcionar más potencia, especialmente 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 ser reemplazadas con tanta frecuencia, lo que significa que se genera menos desecho. Por otro lado, las baterías secundarias contienen materiales peligrosos que pueden ser dañinos para el ambiente. Las baterías de celda primaria también contienen materiales peligrosos pero en una concentración mucho menor. Al comparar los dos tipos de baterías en una base por batería, las celdas secundarias generan más gases de efecto invernadero y crean más residuos peligrosos que las baterías de celda primaria. Sin embargo, después de veinte ciclos de recarga, las baterías secundarias producen un 90% menos de desechos 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 con estrictos estándares de seguridad y rendimiento. El estándar 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 estándares específicos para diferentes aplicaciones, como el ISO 20127 para cepillos de dientes eléctricos.   La FDA también tiene requisitos específicos para las baterías de litio, incluido que deben ser producidas en una fábrica certificada por UL y que cada batería debe ser rastreable para el análisis de fallos. Además de seleccionar la química de la batería adecuada, es importante examinar al fabricante de la batería para asegurar que cumplan con las regulaciones de la FDA y IEC para su aplicación.

Rango de voltaje

Las baterías de celda primaria están típicamente disponibles en dos rangos de voltaje, 1.5 V y 3.3 V. La elección de qué rango utilizar depende de la aplicación. Los convertidores reductores son generalmente más eficientes que los convertidores elevadores. Una estrategia común con los reguladores de batería es usar un convertidor reductor-elevador para maximizar el rango de voltaje de la batería. Sin embargo, los convertidores reductor-elevador suelen ser más grandes y requieren más componentes externos que los convertidores reductores, ya que tienen cuatro interruptores en lugar de dos.

Alcalino

Las pilas alcalinas son las celdas primarias más utilizadas por un margen considerable, en parte debido a su idoneidad para alimentar circuitos analógicos como los que se encuentran en controles remotos de televisión o relojes. Estas pilas tienen una alta resistencia interna en comparación con otras químicas de pilas, lo cual aumenta a medida que la pila se descarga. Debido a esta característica, las pilas alcalinas generalmente no son adecuadas para circuitos digitales que requieren cargas más altas o tienen diferentes ciclos de trabajo y modos de operación. Las celdas alcalinas también muestran una mayor resistencia interna a medida que se reduce el tamaño físico de la celda. Por lo tanto, aplicaciones de mayor corriente, como un juguete con muchas luces LED y altavoces, podrían requerir una pila D, mientras que un reloj puede funcionar con una pila de botón. Las pilas alcalinas se consideran seguras de usar y almacenar, con una preocupación mínima por explosiones o fugas, y no se les aplican los mismos estándares regulatorios que a una batería de Li-Ion.   Las pilas alcalinas generalmente no se utilizan en dispositivos médicos debido a su limitada potencia de salida y corta vida útil en comparación con otras químicas de pilas. 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 críticas.

Existen varias baterías primarias basadas en litio en el mercado, todas las cuales utilizan litio como material de ánodo y un metal como cátodo. Estas son comúnmente conocidas como baterías de litio-metal. Las dos baterías primarias de litio-metal más utilizadas son las de dióxido de manganeso de litio (LiMnO2) y disulfuro de litio (LiFeS2).   Las baterías LiMnO2 tienen un voltaje nominal de salida de 3 V y baja resistencia interna. Esto las hace muy adecuadas para aplicaciones digitales que requieren diferentes perfiles de carga y ciclos de trabajo. Las baterías LiFeS2 tienen un voltaje nominal de salida 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 litio-metal son propensas a fugas y explosiones, por lo que requieren un manejo especial y restricciones de transporte. Sin embargo, ofrecen una serie de ventajas sobre las baterías alcalinas: el doble de capacidad en formas similares, una vida útil más larga y menor peso.   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 continuos de glucosa, bombas de infusión y dispositivos implantables como desfibriladores.

Baterías de óxido de plata

Las baterías de óxido de plata (Ag-O) son otro tipo común de baterías de celda primaria que utilizan plata para el cátodo y zinc para el ánodo. Tienen un voltaje nominal de salida 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 Ag-O pueden ser costosas en tamaños grandes, por lo que se utilizan principalmente en formatos de celda de moneda o celda de botón.

Históricamente, las baterías Ag-O han tendido a tener fugas, y se añadía mercurio a la celda para contrarrestar la corrosión. En años recientes, los fabricantes de baterías han logrado encontrar otras formas de minimizar la corrosión sin el uso de mercurio, haciendo que las baterías Ag-O sean mucho más sostenibles para el medio ambiente. Las baterías Ag-O son generalmente más seguras y duran más que las baterías de litio, mientras que tienen una curva de descarga similar, pero un costo más alto debido al cátodo de plata, lo que 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.

Óxido de zinc

Las baterías de zinc-aire tienen una química de batería única en comparación con las químicas de baterías anteriores. Las baterías de zinc-aire tienen un ánodo de zinc y el aire ambiente es el cátodo con una pasta electrolítica en medio. La celda está construida en un formato típico de batería de celda de moneda con una abertura en la carcasa para permitir la entrada de aire. Antes de usar la batería, la abertura está sellada para evitar que entre aire en la celda. Una vez que se rompe el sello, se introduce oxígeno en el cátodo y los electrones comienzan a fluir desde el ánodo de zinc, a través de la pasta electrolítica, hasta el cátodo. Debido a que el cátodo no es de metal, como en otras químicas de baterías, las baterías de zinc-aire son ligeras 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.

Dado que la batería debe estar expuesta al entorno para funcionar, su uso en dispositivos médicos es limitado. Muchos dispositivos médicos requieren un nivel de protección del entorno que las baterías de zinc-aire no permiten. Estas químicas se utilizan principalmente para baterías de audífonos debido a su construcción liviana y larga duración.

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 pecho para ECG con un tiempo de funcionamiento deseado de 5 días. Este parche wearable será diseñado para ser desechable, completamente sellado (la batería no puede ser reemplazada), 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. Puede utilizarse en un entorno hospitalario, en una clínica ambulatoria, así como en el hogar del paciente. Sabemos que queremos usar el MAX30001 como el AFE (frente analógico) del ECG y la unidad MCU MAX32655 en esta aplicación. Elegiremos la solución de gestión de energía de acuerdo con la batería.

Basado en estos requisitos, podemos tomar una decisión adecuada sobre la batería a utilizar. El diseño del dispositivo portátil es compacto, lo que significa que el formato de la batería debe ser pequeño y liviano, por lo que deberíamos optar por un formato de celda de moneda. Podemos descartar las baterías de disulfuro de litio ya que no se encuentran en formatos de celda de moneda. Sabemos que el parche es desechable, por lo que no podemos usar una batería secundaria o recargable. También sabemos que la batería está completamente sellada, lo que nos impide usar una celda de aire de zinc. La comunicación Bluetooth y los diferentes modos de operación del MAX32655 también nos llevan a asumir razonablemente que una batería alcalina no podría soportar esta aplicación debido a su alta resistencia interna. Eso nos deja con las químicas de batería primaria de litio-manganeso y óxido de plata como nuestras opciones.   La batería de litio-manganeso tiene un voltaje de salida nominal de 3.0 V y una energía específica más alta que las baterías de óxido de plata. Podemos obtener fácilmente una batería (óxido de plata) CR2032 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 mayor formato de celda de moneda que podemos encontrar disponible 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 funcionamiento de 5 días para nuestro parche. Al construir un perfil de carga, encontramos que el parche consumirá aproximadamente 45 mA por día o 225 mA en 5 días. El requisito de una batería de mayor capacidad elimina la celda de moneda de óxido de plata de la contención y nos deja con una batería de litio-manganeso como nuestra elección para esta aplicación.

Conclusión

Elegir una batería para su aplicación requiere una consideración cuidadosa de la forma, el ajuste y la función. Al comprender las fortalezas y debilidades de cada química de baterías, puede seleccionar la mejor batería para los requisitos de diseño de su sistema.

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