Compte tenu de l’expansion mondiale des appareils médicaux alimentés par batterie, il est facile de comprendre pourquoi il peut y avoir un assortiment presque illimité de types de batteries et de compositions chimiques parmi lesquels choisir. Cependant, chaque application a ses propres exigences en matière de puissance, qui peuvent être mieux satisfaites par une technologie de batterie unique. Cet article explore les considérations à prendre en compte pour choisir la bonne batterie pour la conception de votre appareil médical et présente 5 choix de batteries populaires.
Introduction
La sélection d’une batterie primaire appropriée peut être un exercice d’équilibre entre plusieurs exigences concurrentes. Vous voulez une batterie qui a une capacité suffisante pour alimenter votre appareil pendant suffisamment de temps et la plage de tension de sortie doit être adéquate pour les circuits intégrés que vous alimentez. En règle générale, vous souhaiterez une taille de batterie aussi petite que possible afin de minimiser les dimensions globales du produit. Vous devrez prendre en compte le coût, la disponibilité et la durée de conservation. En tant qu’ingénieurs, il est également de notre responsabilité de prendre en compte l’impact environnemental de nos décisions de conception. Il est possible que la batterie que nous sélectionnons pour nos produits finisse dans des décharges pendant de nombreuses années. Pour aider le concepteur à prendre sa décision, nous nous concentrerons sur les piles alcalines, au lithium métal, à l’oxyde d’argent et à l’air de zinc les plus utilisées et nous les évaluerons en vue de leur utilisation dans un patch thoracique d’électrocardiogramme (ECG) jetable.
Batteries primaires et secondaires
La principale différence entre les batteries primaires et secondaires est que les batteries primaires ne sont pas rechargeables alors que les batteries secondaires le sont. Dans les batteries primaires, la réaction électrochimique qui se produit n’est pas réversible. Une fois l’anode oxydée, la batterie ne peut plus générer d’électricité. Dans une batterie rechargeable, l’anode peut être désoxydée. Ainsi, la batterie peut être rechargée et réutilisée. Une batterie secondaire est généralement plus chère qu'une batterie primaire, ce qui l'empêche généralement d'être utilisée dans des systèmes jetables. Les batteries primaires ont également une durée de vie plus longue en raison de leur faible courant d'autodécharge, mais les batteries secondaires rechargeables peuvent fournir plus d'énergie, en particulier dans les applications à forte consommation de courant.
L’impact environnemental des différents types de batteries est une question complexe. D’une part, les batteries secondaires sont réutilisables et n’ont pas besoin d’être remplacées aussi souvent, ce qui signifie que moins de déchets sont créés. D’autre part, les batteries secondaires contiennent des matières dangereuses qui peuvent être nocives pour l’environnement. Les piles primaires contiennent également des matières dangereuses, mais à une concentration beaucoup plus faible. En comparant les deux types de batteries, batterie par batterie, on constate que les cellules secondaires rejettent plus de gaz à effet de serre et créent plus de déchets dangereux que les batteries primaires. Cependant, après vingt cycles de recharge, les batteries secondaires produisent 90 % de déchets de moins que les batteries primaires jetables et sont donc considérées comme plus respectueuses de l’environnement.
Normes médicales
Les batteries destinées aux applications médicales doivent répondre à des normes strictes de sécurité et de performance. La norme ANSI/AAMI ES 60601-1 pour les équipements électriques médicaux spécifie plusieurs normes réglementaires auxquelles les batteries doivent se conformer, notamment IEC 60086-4 et IEC 60086-5 pour les batteries primaires et UL2054 pour les batteries domestiques et commerciales. De plus, il existe des normes spécifiques pour différentes applications, comme la norme ISO 20127 pour les brosses à dents électriques.
La FDA a également des exigences spécifiques pour les batteries au lithium, notamment qu'elles doivent être produites dans une usine certifiée UL et que chaque batterie doit être traçable pour l'analyse des défaillances. En plus de sélectionner la chimie de batterie appropriée, il est important d'examiner attentivement le fabricant de la batterie pour s'assurer qu'il est conforme aux réglementations FDA et IEC pour votre application.
Plage de tension
Les batteries primaires sont généralement disponibles dans deux plages de tension, 1,5 V et 3,3 V. Le choix de la plage à utiliser dépend de l'application. Les convertisseurs abaisseurs sont généralement plus efficaces que les convertisseurs élévateurs. Une stratégie courante avec les régulateurs de batterie consiste à utiliser un convertisseur buck-boost pour maximiser la plage de tension de la batterie. Cependant, les convertisseurs buck-boost sont généralement plus grands et nécessitent plus de composants externes que les convertisseurs buck, car ils disposent de quatre commutateurs au lieu de deux.
| Cellule de batterie primaire | V minimal | V nominal | V maximal | Énergie spécifique |
| Alcalin | 1.1 | 1.5 | 1.65 | 200 Wh/kg |
| Zinc Air | 0.9 | 1.4 | 1.68 | 400 Wh/kg |
| Li Manganèse | 2 | 3 | 3.4 | 280 Wh/kg |
| Disulfure de lithium | 0.9 | 1.5 | 1.8 | 300 Wh/kg |
| Oxyde d’argent | 1.2 | 1.55 | 1.85 | 130 Wh/kg |
Tableau 1. Comparaison des cellules de batterie primaire
Figure 1. Chimies des piles primaires
Alcalin
Les piles alcalines sont de loin les piles primaires les plus utilisées, en partie en raison de leur aptitude à alimenter des circuits analogiques tels que ceux que l'on trouve dans les télécommandes de télévision ou les horloges. Ces batteries ont une résistance interne élevée, par rapport aux autres types de batteries, qui augmente à mesure que la batterie se décharge. En raison de cette caractéristique, les piles alcalines ne sont généralement pas adaptées aux circuits numériques qui nécessitent des charges plus élevées ou qui ont des cycles de service et des modes de fonctionnement différents. Les cellules alcalines présentent également une résistance interne plus élevée à mesure que la taille physique de la cellule diminue. Par conséquent, les applications à courant plus élevé, comme un jouet avec beaucoup de LED et de haut-parleurs, peuvent nécessiter une pile D, alors qu'une horloge peut fonctionner avec une pile bouton. Les piles alcalines sont considérées comme sûres à utiliser et à stocker, avec un minimum de risques d'explosion ou de fuite, et ne sont pas soumises aux mêmes normes réglementaires qu'une batterie Li-Ion.
Les piles alcalines ne sont généralement pas utilisées pour les appareils médicaux en raison de leur puissance de sortie limitée et de leur courte durée de vie par rapport aux autres types de piles. Dans les applications médicales, on les trouve dans les glucomètres, les thermomètres et d’autres appareils peu coûteux qui sont utilisés peu fréquemment et ne sont pas nécessaires pour des fonctions critiques.
Figure 2. Batteries primaires Li-Ion : dioxyde de lithium et de manganèse (Li-M ou LiMnO2) et également disulfure de lithium (Li-FeS2)
Il existe sur le marché plusieurs batteries primaires au lithium, toutes utilisant du lithium comme matériau d’anode et un métal comme cathode. On les appelle communément batteries lithium-métal. Les deux batteries primaires lithium-métal les plus utilisées sont le dioxyde de lithium-manganèse (LiMnO2) et le disulfure de lithium (LiFeS2).
Les batteries LiMnO2 ont une tension de sortie nominale de 3 V et une faible résistance interne. Cela les rend particulièrement adaptés aux applications numériques qui nécessitent des profils de charge et des cycles de service différents. Les batteries LiFeS2 ont une tension de sortie nominale de 1,5 V et une résistance interne similaire. Ils sont souvent utilisés comme remplacement direct des piles alcalines dans les appareils qui nécessitent cette tension.
Les batteries au lithium métal sont sujettes aux fuites et aux explosions, elles nécessitent donc des restrictions particulières en matière de manipulation et de transport. Cependant, elles offrent un certain nombre d’avantages par rapport aux piles alcalines : une capacité deux fois supérieure dans des formats similaires, une durée de vie plus longue et un poids plus léger.
Par conséquent, les batteries lithium-métal remplacent les piles alcalines dans de nombreuses applications. Les batteries au lithium métal sont également utilisées dans des dispositifs médicaux critiques tels que les glucomètres en continu, les pompes à perfusion et les dispositifs implantables tels que les défibrillateurs.
Piles à l'oxyde d'argent
Les batteries à l'oxyde d'argent (Ag-O) sont une autre batterie primaire courante qui utilise de l'argent pour la cathode et du zinc pour l'anode. Elles ont une tension de sortie nominale similaire à celle des piles alcalines (soit 1,55 V) avec une capacité plus élevée et une courbe de décharge plus plate, ce qui les rend adaptées aux applications numériques. En raison de la présence d’argent dans la cathode, les piles Ag-O peuvent être coûteuses en grandes dimensions et sont donc principalement utilisées sous forme de piles ou de piles boutons.
Figure 3. Les piles à l'oxyde d'argent sont couramment utilisées comme piles de montre
Historiquement, les piles Ag-O ont eu tendance à fuir et du mercure a été ajouté à la cellule pour contrer la corrosion. Ces dernières années, les fabricants de batteries ont pu trouver d’autres moyens de minimiser la corrosion sans utiliser de mercure, rendant les batteries Ag-O beaucoup plus durables pour l’environnement. Les batteries Ag-O sont généralement plus sûres et fonctionnent plus longtemps que les batteries au lithium tout en ayant une courbe de décharge similaire mais un coût plus élevé en raison de la cathode en argent limitant leur adoption dans les applications à moindre coût. Étant donné que le revêtement en argent peut réduire le risque d’infections causées par les dispositifs implantables, les chimies de batterie Ag-O sont de plus en plus utilisées dans les dispositifs implantables.
Zinc Air
Les piles zinc-air ont une composition chimique unique par rapport aux compositions chimiques des piles précédentes. Les piles zinc-air ont une anode en zinc et l'air ambiant est la cathode avec une pâte électrolytique entre les deux. La cellule est construite dans un facteur forme typique de pile bouton avec une ouverture dans le boîtier pour permettre à l’air de pénétrer. Avant d’utiliser la pile, l’ouverture est scellée pour empêcher l’air de pénétrer dans la cellule. Une fois le joint brisé, l'oxygène est introduit à la cathode et les électrons commencent leur flux depuis l'anode de zinc, à travers la pâte électrolytique, jusqu'à la cathode. Étant donné que la cathode n’est pas un métal, comme d’autres types de batteries, les batteries zinc-air sont légères et économiques. Ils conservent également leur charge et ont un taux de décharge relativement stable. Les piles zinc-air ont une plage de tension de sortie de 0,9 V à 1,4 V.
Figure 4. Les prothèses auditives sont souvent alimentées par des piles zinc-air
Étant donné que la batterie doit être exposée à l’environnement pour fonctionner, son utilisation dans les appareils médicaux est limitée. De nombreux dispositifs médicaux nécessitent un niveau de protection contre l’environnement que les piles zinc-air ne permettent pas. Ces chimies sont les plus utilisées pour les piles d’appareils auditifs en raison de leur légèreté et de leur longue durée de vie.
Exemple d'application
Maintenant que nous avons passé en revue les compositions de piles les plus courantes et ce qu’elles peuvent nous offrir, passons à un exemple d’application. Pour cet exemple, considérons un patch thoracique ECG avec une durée de fonctionnement souhaitée de 5 jours. Ce patch portable sera conçu pour être jetable, entièrement scellé (la batterie ne peut pas être remplacée), étanche et disposera d'une communication Bluetooth® pour transmettre les données ECG sans fil. Le patch comprendra également un capteur de température MAX30208 pour enregistrer la température corporelle du patient ainsi qu'un accéléromètre ADXL367 pour surveiller les informations sur l'activité du patient. Il peut être utilisé en milieu hospitalier, en clinique externe ainsi qu'au domicile du patient. Nous savons que nous voulons utiliser le MAX30001 comme frontal analogique (AFE) de l’ECG et l’unité de microcontrôleur (MCU) MAX32655 dans cette application. Nous choisirons la solution de gestion de l'alimentation en fonction de la batterie.
Figure 5. Exemple de schéma fonctionnel d’un patch ECG
Sur la base de ces exigences, nous pouvons prendre une décision appropriée concernant la batterie à utiliser. La conception du dispositif portatif est compacte, ce qui signifie que le facteur forme de la pile doit être petit et léger, nous devrions donc envisager d’utiliser un facteur forme de pile bouton. Nous pouvons éliminer les piles au disulfure de lithium car elles ne se trouvent pas dans les formats de piles boutons. Nous savons que le patch est jetable, nous ne pouvons donc pas utiliser de batterie secondaire ou rechargeable. Nous savons également que la batterie est entièrement scellée, ce qui nous empêche d’utiliser une cellule zinc-air. La communication Bluetooth et les différents modes de fonctionnement du MAX32655 nous amènent également raisonnablement à supposer qu'une pile alcaline ne pourrait pas prendre en charge cette application en raison de sa résistance interne élevée. Il ne nous reste donc que les batteries primaires au lithium-manganèse et à l'oxyde d'argent comme options.
La batterie lithium-manganèse a une tension de sortie nominale de 3,0 V et une énergie spécifique plus élevée que les batteries à l'oxyde d'argent. Nous pouvons facilement nous procurer une pile CR2032 (oxyde d’argent) d’une capacité de 235 mAh. La pile à l’oxyde d’argent a une tension de sortie nominale de 1,55 V et le plus grand facteur forme de pile bouton que l’on puisse trouver dans le commerce est une pile SR44 W d’une capacité de 200 mAh. Si nous revenons à notre conception et que nous examinons les exigences, nous constatons que nous avons besoin d’une durée d’exécution de 5 jours pour notre patch. En construisant un profil de charge, nous constatons que le patch consommera environ 45 mA par jour ou 225 mA sur 5 jours. L’exigence d’une pile de plus grande capacité élimine la pile à l’oxyde d’argent et nous laisse le choix d’une pile lithium-manganèse pour cette application.
Conclusion
Le choix d’une batterie pour votre application nécessite une réflexion approfondie sur la forme, l’ajustement et la fonction. En comprenant les forces et les faiblesses de chaque chimie de batterie, vous pouvez sélectionner la meilleure batterie pour les exigences de conception de votre système.