Comment choisir la meilleure batterie pour la conception de votre dispositif médical de santé

Introduction

Choisir une batterie primaire appropriée peut être un exercice d'équilibre entre plusieurs exigences concurrentes. Vous voulez une batterie qui a suffisamment de capacité pour alimenter votre appareil pendant un temps suffisant et la plage de tension de sortie doit être adéquate pour les circuits intégrés que vous alimentez. En général, vous voudrez une taille de batterie aussi petite que possible pour minimiser les dimensions globales du produit. Vous devrez prendre en compte le coût, la disponibilité et la durée de vie en rayon. En tant qu'ingénieurs, c'est aussi notre responsabilité de considérer l'impact environnemental de nos décisions de conception. Il est possible que la batterie que nous choisissons pour nos produits finisse dans des décharges pendant de nombreuses années. Pour aider à la décision du concepteur, nous nous concentrerons sur les chimies de batteries les plus utilisées : alcaline, lithium métal, oxyde d'argent et zinc-air, et les évaluerons pour une utilisation dans la conception d'un patch de poitrine électrocardiogramme (ECG) jetable.

Piles primaires vs. secondaires

La principale différence entre les piles à cellule primaire et les piles secondaires est que les piles à cellule primaire ne sont pas rechargeables, tandis que les piles secondaires le sont. Dans les piles à cellule primaire, la réaction électrochimique qui se produit n'est pas réversible. Une fois que l'anode s'oxyde, la pile ne peut plus générer d'électricité. Dans une batterie rechargeable, l'anode peut être désoxidée. Ainsi, la pile peut être rechargée et réutilisée. Une batterie secondaire est généralement plus coûteuse qu'une pile à cellule primaire, ce qui l'exclut souvent d'être utilisée dans des systèmes jetables. Les piles à cellule primaire ont également une durée de conservation plus longue en raison de leur faible courant d'autodécharge, mais les piles secondaires rechargeables peuvent fournir plus de puissance, notamment dans les applications à haute consommation de courant.   L'impact environnemental des différents types de batteries est un problème complexe. D'une part, les batteries secondaires sont réutilisables et n'ont pas besoin d'être remplacées aussi souvent, ce qui signifie qu'il y a moins de déchets créés. D'autre part, les batteries secondaires contiennent des matériaux dangereux qui peuvent être nuisibles pour l'environnement. Les piles à cellule primaire contiennent également des matériaux dangereux mais à une concentration beaucoup plus faible. En comparant les deux types de batteries sur une base par pile, les cellules secondaires émettent plus de gaz à effet de serre et créent plus de déchets dangereux que les piles à cellule primaire. Cependant, après vingt cycles de recharge, les batteries secondaires produisent 90 % de déchets en moins que les piles à cellule primaire jetables et sont donc considérées comme plus respectueuses de l'environnement.

Normes médicales

Les batteries pour applications médicales doivent respecter 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, y compris IEC 60086-4 et IEC 60086-5 pour les piles primaires, et UL2054 pour les batteries domestiques et commerciales. De plus, il existe des normes spécifiques pour différentes applications, telles que 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 bonne chimie de batterie, il est important d’examiner attentivement le fabricant de la batterie pour s'assurer qu'il se conforme aux réglementations FDA et IEC pour votre application.

Plage de tension

Les piles primaires sont généralement disponibles en 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 abaisseur-élévateur pour maximiser la plage de tension de la batterie. Cependant, les convertisseurs abaisseurs-élévateurs sont généralement plus grands et nécessitent plus de composants externes que les convertisseurs abaisseurs, car ils ont quatre commutateurs au lieu de deux.

Alcaline

Les piles alcalines sont de loin les piles primaires les plus utilisées, en partie en raison de leur adéquation pour alimenter des circuits analogiques comme ceux que l'on trouve dans les télécommandes de télévision ou les horloges. Ces piles présentent une résistance interne élevée par rapport à d'autres chimies de piles, qui augmente à mesure que la pile se décharge. En raison de cette caractéristique, les piles alcalines ne conviennent généralement pas aux circuits numériques qui nécessitent des charges plus élevées ou ont des cycles de travail 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 nécessitant un courant plus élevé, comme un jouet avec beaucoup de LED et de haut-parleurs, peuvent nécessiter une pile de type D, là où une horloge peut fonctionner avec une pile bouton. Les piles alcalines sont considérées comme sûres à utiliser et à stocker, avec peu de risque d'explosion ou de fuite, et ne sont pas soumises aux mêmes normes réglementaires qu'une pile Li-Ion.   Les piles alcalines ne sont généralement pas utilisées pour les dispositifs médicaux en raison de leur puissance limitée et de leur durée de vie courte par rapport à d'autres chimies de piles. Dans les applications médicales, elles peuvent être trouvées dans des glucomètres à bas coût, des thermomètres et d'autres appareils qui sont utilisés peu fréquemment et ne sont pas nécessaires pour des fonctions critiques.

Il existe plusieurs batteries primaires à base de lithium sur le marché, qui utilisent toutes le lithium comme matériau d'anode et un métal comme cathode. Celles-ci sont communément appelées batteries au lithium-métal. Les deux batteries primaires au lithium-métal les plus utilisées sont le dioxyde de manganèse-lithium (LiMnO2) et le disulfure de lithium (LiFeS2).   Les batteries LiMnO2 ont une tension nominale de sortie de 3 V et une faible résistance interne. Cela les rend bien adaptées aux applications numériques qui nécessitent différents profils de charge et cycles de service. Les batteries LiFeS2 ont une tension nominale de sortie de 1,5 V et une résistance interne similaire. Elles sont souvent utilisées comme remplacement direct des piles alcalines dans les appareils nécessitant cette tension.   Les batteries au lithium-métal sont sujettes aux fuites et aux explosions, elles nécessitent donc des restrictions spéciales de manipulation et de transport. Cependant, elles offrent un certain nombre d'avantages par rapport aux piles alcalines : une capacité doublée dans des formats similaires, une durée de vie plus longue et un poids plus léger.   En conséquence, les batteries au lithium-métal remplacent les piles alcalines dans de nombreuses applications. Les batteries au lithium-métal sont également utilisées dans des dispositifs médicaux critiques comme les glucomètres continus, les pompes à perfusion et les dispositifs implantables comme les défibrillateurs.

Piles à l'oxyde d'argent

Les batteries à l'oxyde d'argent (Ag-O) sont un autre type courant de piles primaires qui utilisent l'argent pour la cathode et le zinc pour l'anode. Elles ont une tension de sortie nominale similaire à celle des piles alcalines (c'est-à-dire 1,55 V) avec une capacité supérieure et une courbe de décharge plus régulière, ce qui les rend adaptées aux applications numériques. En raison de la présence d'argent dans la cathode, les batteries Ag-O peuvent être coûteuses en grandes tailles, elles sont donc principalement utilisées sous forme de cellules bouton.

Historiquement, les batteries Ag-O avaient tendance à fuir, et du mercure était 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 durent plus longtemps que les batteries au lithium tout en ayant une courbe de décharge similaire, mais un coût plus élevé en raison de l'anode 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 batteries Ag-O sont de plus en plus utilisées dans les dispositifs implantables.

Zinc air

Les piles zinc-air ont une chimie de batterie unique par rapport aux chimies de batteries précédentes. Les piles zinc-air ont une anode en zinc et l'air ambiant sert de cathode avec une pâte électrolytique entre les deux. La cellule est construite dans un format typique de pile bouton avec une ouverture dans le boîtier pour permettre l'entrée d'air. Avant l'utilisation de la pile, l'ouverture est scellée pour empêcher l'air de pénétrer dans la cellule. Une fois le sceau brisé, l'oxygène est introduit à la cathode et les électrons commencent leur flux depuis l'anode en zinc, à travers la pâte électrolytique, jusqu'à la cathode. Comme la cathode n'est pas en métal, à la différence d'autres chimies de batteries, les piles zinc-air sont légères et économiques. Elles conservent également leur charge et ont un taux de décharge relativement plat. Les piles zinc-air ont une plage de tension de sortie de 0,9 V à 1,4 V.

Étant donné que la batterie doit être exposée à l'environnement pour fonctionner, son utilisation dans les dispositifs médicaux est limitée. De nombreux dispositifs médicaux nécessitent un niveau de protection contre l'environnement, que les batteries zinc-air ne permettent pas. Ces chimies sont le plus souvent utilisées pour les batteries d'appareils auditifs en raison de leur construction légère et de leur longue durée de vie.

Exemple d'application

Maintenant que nous avons passé en revue les chimies de batteries courantes disponibles et ce qu'elles peuvent nous offrir, examinons un exemple d'application. Pour cet exemple, considérons un patch ECG thoracique avec un temps de fonctionnement souhaité de 5 jours. Ce patch portable sera conçu pour être jetable, entièrement scellé (la batterie ne peut être remplacée), étanche, et disposera d'une communication Bluetooth® pour transmettre les données ECG sans fil. Le patch inclura 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 dans un hôpital, dans une clinique externe, ainsi qu'à domicile chez un patient. Nous savons que nous voulons utiliser le MAX30001 comme interface analogique (AFE) ECG et le microcontrôleur MAX32655 (MCU) dans cette application. Nous choisirons la solution de gestion de l'alimentation en fonction de la batterie.

Sur la base de ces exigences, nous pouvons prendre une décision appropriée concernant la batterie à utiliser. Le design portable est compact, ce qui signifie que le format de la batterie doit être petit et léger, donc nous devrions viser à utiliser un format de pile bouton. Nous pouvons éliminer les batteries au disulfure de lithium car elles ne se trouvent pas dans les formats de pile bouton. Nous savons que le patch est jetable, donc nous ne pouvons pas utiliser une batterie secondaire ou rechargeable. Nous savons également que la batterie est entièrement scellée, ce qui nous empêche d'utiliser une pile à air zinc. La communication Bluetooth et les différents modes de fonctionnement du MAX32655 nous amènent également à supposer raisonnablement qu'une batterie alcaline ne pourrait pas supporter cette application en raison de sa résistance interne élevée. Cela nous laisse avec les chimies de batterie primaire au lithium manganèse et à l'oxyde d'argent comme options.   La batterie au lithium manganèse a une tension nominale de sortie de 3,0 V et une énergie spécifique plus élevée que les batteries à l'oxyde d'argent. Nous pouvons facilement nous procurer une batterie (à l'oxyde d'argent) CR2032 avec une capacité de 235 mAh. La batterie à l'oxyde d'argent a une tension nominale de sortie de 1,55 V et le plus grand format de pile bouton que nous pouvons trouver en stock est une batterie SR44W avec une capacité de 200 mAh. Si nous revenons à notre conception et examinons les exigences, nous voyons que nous avons besoin d'une autonomie 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 batterie de plus grande capacité élimine la pile bouton à l'oxyde d'argent de la compétition et nous laisse avec une batterie au lithium manganèse comme notre choix pour cette application.

Conclusion

Choisir une batterie pour votre application nécessite une attention particulière à la forme, à l'ajustement et à 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.

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