Considerata l'espansione globale dei dispositivi medici alimentati a batteria, è facile capire perché potrebbe esserci una gamma pressoché infinita di tipi e composizioni chimiche di batterie tra cui scegliere. Tuttavia, ogni applicazione ha i suoi requisiti di potenza, che possono essere soddisfatti al meglio da una tecnologia di batterie specifica. Questo articolo esamina le considerazioni da tenere presenti nella scelta della batteria più adatta per il progetto di un dispositivo medico e descrive 5 delle batterie più diffuse.
Introduzione
La scelta della batteria primaria più adatta può essere un gioco di equilibri tra più requisiti concorrenti. È necessario che la batteria abbia una capacità idonea ad alimentare il dispositivo per un tempo sufficiente e che la gamma di tensione d'uscita sia adeguata per i circuiti integrati che si intende alimentare. In genere, per ridurre al minimo le dimensioni complessive del prodotto, è preferibile utilizzare batterie quanto più piccole possibile. Inoltre, è opportuno considerare costi, disponibilità e durata di conservazione a magazzino. In quanto ingegneri, è anche nostra responsabilità considerare l'impatto ambientale delle nostre decisioni progettuali. È possibile che la batteria che selezioniamo per i nostri prodotti finisca nelle discariche per molti anni. Per agevolare la decisione del progettista, ci concentreremo sulla chimica delle batterie alcaline, al litio metallico, all'ossido d'argento e allo zinco-aria più utilizzate e le valuteremo per l'impiego nel progetto di un elettrodo monouso per elettrocardiogramma (ECG).
Batterie primarie vs. secondarie
La differenza principale tra batterie primarie e secondarie è che le batterie primarie non sono ricaricabili, mentre quelle secondarie sì. Nelle batterie primarie, la reazione elettrochimica che avviene non è reversibile. Una volta che l'anodo si ossida, la batteria non può più generare elettricità. In una batteria ricaricabile, l'anodo può essere deossidato. In questo modo la batteria può essere ricaricata e riutilizzata. Una batteria secondaria è solitamente più costosa di una batteria primaria, il che solitamente ne impedisce l'utilizzo nei sistemi monouso. Anche le batterie primarie hanno una durata di conservazione maggiore grazie alla loro bassa corrente di autoscarica, ma le batterie secondarie ricaricabili possono fornire più potenza, in particolare nelle applicazioni ad alto assorbimento di corrente.
L'impatto ambientale dei diversi tipi di batterie è una questione complessa. Da un lato, le batterie secondarie sono riutilizzabili e non devono essere sostituite così spesso, il che significa che vengono prodotti meno rifiuti. D'altro canto, le batterie secondarie contengono materiali pericolosi che possono essere dannosi per l'ambiente. Anche le batterie primarie contengono materiali pericolosi, ma in concentrazioni molto più basse. Confrontando i due tipi di batterie singolarmente, le celle secondarie rilasciano più gas serra e creano più rifiuti pericolosi rispetto alle batterie primarie. Tuttavia, dopo venti cicli di ricarica, le batterie secondarie producono il 90% di rifiuti in meno rispetto alle batterie primarie usa e getta e sono quindi considerate più ecologiche.
Standard medicali
Le batterie per applicazioni mediche devono soddisfare rigorosi standard di sicurezza e prestazioni. Lo standard ANSI/AAMI ES 60601-1 per le apparecchiature elettriche medicali specifica diversi standard normativi a cui le batterie devono essere conformi, tra cui IEC 60086-4 e IEC 60086-5 per le batterie primarie e UL2054 per le batterie domestiche e commerciali. Esistono inoltre norme specifiche per diverse applicazioni, come la norma ISO 20127 per gli spazzolini elettrici.
La FDA ha inoltre imposto requisiti specifici per le batterie al litio, tra cui il fatto che devono essere prodotte in una fabbrica certificata UL e che ogni batteria deve essere tracciabile ai fini dell'analisi dei guasti. Oltre a selezionare la corretta composizione chimica della batteria, è importante esaminare attentamente il produttore della batteria per assicurarsi che sia conforme alle normative FDA e IEC per la propria applicazione.
Gamma di tensione
Le batterie a celle primarie sono solitamente disponibili in due tensioni: 1,5 V e 3,3 V. La scelta della tensione da utilizzare dipende dall'applicazione. I convertitori buck sono generalmente più efficienti dei convertitori boost. Una strategia comune con i regolatori di batteria è quella di utilizzare un convertitore buck-boost per massimizzare l'intervallo di tensione della batteria. Tuttavia, i convertitori buck-boost sono solitamente più grandi e richiedono più componenti esterni rispetto ai convertitori buck, poiché hanno quattro interruttori anziché due.
| Cella della batteria primaria | V min | V nom | V max | Energia specifica |
| Alcalina | 1.1 | 1.5 | 1.65 | 200 Wh/kg |
| Zinco-aria | 0.9 | 1.4 | 1.68 | 400 Wh/kg |
| Litio-manganese | 2 | 3 | 3.4 | 280 Wh/kg |
| Disolfuro di litio | 0.9 | 1.5 | 1.8 | 300 Wh/kg |
| Ossido di argento | 1.2 | 1.55 | 1.85 | 130 Wh/kg |
Tabella 1. Confronto delle celle della batteria primaria
Figura 1. Chimica delle celle primarie delle batterie
Alcalino
Le batterie alcaline sono di gran lunga le celle primarie più utilizzate, in parte perché sono adatte ad alimentare circuiti analogici come quelli presenti nei telecomandi dei televisori o negli orologi. Queste batterie hanno un'elevata resistenza interna, se confrontate con altre tipologie di batterie, che aumenta man mano che la batteria si scarica. A causa di questa caratteristica, le batterie alcaline non sono generalmente adatte ai circuiti digitali che richiedono carichi più elevati o hanno cicli di lavoro e modalità operative differenti. Le celle alcaline presentano inoltre una maggiore resistenza interna man mano che le dimensioni fisiche della cella diminuiscono. Di conseguenza, le applicazioni che richiedono una corrente più elevata, come un giocattolo con molti LED e altoparlanti, potrebbero richiedere una batteria di tipo D, mentre un orologio può funzionare con una batteria a bottone. Le batterie alcaline sono considerate sicure da usare e conservare, con minime preoccupazioni circa esplosioni o perdite, e non sono soggette agli stessi standard normativi a cui sarebbero soggette le batterie agli ioni di litio.
Le batterie alcaline non vengono solitamente utilizzate nei dispositivi medici a causa della loro potenza di uscita limitata e della loro breve durata rispetto ad altre tipologie di batterie. Nelle applicazioni mediche, si possono trovare nei misuratori di glucosio a basso costo, nei termometri e in altri dispositivi che vengono utilizzati raramente e non sono necessari per funzioni critiche.
Figura 2. Batterie primarie agli ioni di litio: diossido di manganese e litio (Li-M o LiMnO2) e anche bisolfuro di litio (Li-FeS2)
Esistono sul mercato diverse batterie primarie al litio, che utilizzano tutte il litio come materiale dell'anodo e un metallo come catodo. Sono comunemente note come batterie al litio-metallo. Le due batterie primarie al litio-metallo più utilizzate sono quelle al diossido di manganese e litio (LiMnO2) e al bisolfuro di litio (LiFeS2).
Le batterie LiMnO2 hanno una tensione di uscita nominale di 3 V e una bassa resistenza interna. Ciò li rende adatti alle applicazioni digitali che richiedono profili di carico e cicli di lavoro diversi. Le batterie LiFeS2 hanno una tensione di uscita nominale di 1,5 V e una resistenza interna simile. Vengono spesso utilizzati come sostituzione diretta delle batterie alcaline nei dispositivi che richiedono questa tensione.
Le batterie al litio-metallo sono soggette a perdite ed esplosioni, pertanto richiedono particolari restrizioni per quanto riguarda la movimentazione e il trasporto. Tuttavia, offrono una serie di vantaggi rispetto alle batterie alcaline: il doppio della capacità in formati simili, una durata maggiore e un peso inferiore.
Di conseguenza, le batterie al litio-metallo stanno sostituendo le batterie alcaline in molte applicazioni. Le batterie al litio-metallo vengono utilizzate anche in dispositivi medici essenziali, come misuratori di glucosio continuo, pompe di infusione e dispositivi impiantabili come i defibrillatori.
Batterie all'ossido d'argento
Le batterie all'ossido d'argento (Ag-O) sono un altro tipo di batteria primaria comune che utilizza l'argento per il catodo e lo zinco per l'anodo. Hanno una tensione di uscita nominale simile a quella delle batterie alcaline (ovvero 1,55 V), con una capacità maggiore e una curva di scarica più piatta, il che le rende adatte alle applicazioni digitali. A causa della presenza di argento nel catodo, le batterie Ag-O di grandi dimensioni possono essere costose, per cui vengono utilizzate principalmente in formato a bottone o a moneta.
Figura 3. Le batterie all'ossido d'argento sono comunemente utilizzate come batterie per orologi
In passato, le batterie Ag-O hanno avevano la tendenza a perdere e, per contrastare la corrosione, alla cella veniva aggiunto del mercurio. Negli ultimi anni, i produttori di batterie sono riusciti a trovare altri modi per ridurre al minimo la corrosione senza ricorrere al mercurio, rendendo le batterie Ag-O molto più sostenibili per l'ambiente. Le batterie Ag-O sono generalmente più sicure e durano più a lungo delle batterie al litio, pur avendo una curva di scarica simile, ma hanno un costo più elevato a causa del catodo d'argento che ne limita l'adozione in applicazioni a basso costo. Poiché il rivestimento in argento può ridurre il rischio di infezioni causate dai dispositivi impiantabili, le batterie Ag-O vengono sempre più utilizzate nei dispositivi impiantabili.
Zinco-aria
Le batterie zinco-aria presentano una chimica particolare rispetto a quelle delle batterie descritte in precedenza. Le batterie zinco-aria hanno un anodo di zinco, l'aria ambiente è il catodo e una pasta elettrolitica interposta. La cella è realizzata in un tipico fattore di forma della batteria a bottone con un'apertura nella custodia per consentire l'ingresso dell'aria. Prima di utilizzare la batteria, l'apertura viene sigillata per impedire all'aria di entrare nella cella. Una volta rotto il sigillo, l'ossigeno viene introdotto nel catodo e gli elettroni iniziano il loro flusso dall'anodo di zinco, attraverso la pasta elettrolitica, fino al catodo. Poiché il catodo non è un metallo, come nelle chimiche delle altre batterie, le batterie zinco-aria sono leggere e poco costose. Mantengono inoltre la carica e hanno una velocità di scarica relativamente costante. Le batterie zinco-aria hanno un intervallo di tensione di uscita compreso tra 0,9 V e 1,4 V.
Figura 4. Gli apparecchi acustici sono spesso alimentati da batterie zinco-aria
Poiché la batteria deve essere esposta all'ambiente per funzionare, il suo utilizzo nei dispositivi medici è limitato. Molti dispositivi medici richiedono un livello di protezione dall'ambiente che le batterie zinco-aria non consentono. Queste chimiche sono le più utilizzate nelle batterie per apparecchi acustici, a causa del loro peso ridotto e della notevole durata.
Esempio di applicazione
Ora che abbiamo esaminato le chimiche delle batterie più comuni e i relativi vantaggi, vediamo un esempio applicativo. Per questo esempio, consideriamo un patch ECG toracico con un tempo di esecuzione desiderato di 5 giorni. Questo cerotto indossabile sarà progettato per essere monouso, completamente sigillato (la batteria non può essere sostituita), impermeabile e sarà dotato di comunicazione Bluetooth® per trasmettere i dati ECG in modalità wireless. La patch includerà anche un sensore di temperatura MAX30208 per registrare la temperatura corporea del paziente e un accelerometro ADXL367 per monitorare le informazioni sull'attività del paziente. Può essere utilizzato in ambito ospedaliero, ambulatoriale e anche presso il domicilio del paziente. Sappiamo che in questa applicazione vogliamo utilizzare la soluzione MAX30001 come front-end analogico (AFE) dell'ECG e l'unità microcontroller (MCU) MAX32655. Sceglieremo la soluzione di gestione dell'alimentazione in base alla batteria.
Figura 5. Un esempio di diagramma a blocchi dell'elettrodo per ECG
Sulla base di questi requisiti, possiamo prendere una decisione appropriata sulla batteria da utilizzare. Il design del dispositivo indossabile è compatto, quindi il fattore di forma della batteria dovrà essere piccolo e leggero, di conseguenza dovremmo puntare a utilizzare una batteria a bottone. Possiamo eliminare le batterie al litio-bisolfuro poiché non sono disponibili nel formato a bottone. Sappiamo che il cerotto è monouso, quindi non possiamo utilizzare una batteria secondaria o ricaricabile. Sappiamo anche che la batteria è completamente sigillata, il che ci impedisce di utilizzare una cella zinco-aria. La comunicazione Bluetooth e le diverse modalità operative del MAX32655 ci portano inoltre a supporre ragionevolmente che una batteria alcalina non possa supportare questa applicazione a causa della sua elevata resistenza interna. Ciò ci lascia con le batterie primarie al litio-manganese e all'ossido d'argento come opzioni.
La batteria al litio-manganese ha una tensione di uscita nominale di 3,0 V e un'energia specifica superiore rispetto alle batterie all'ossido d'argento. Possiamo facilmente reperire una batteria CR2032 (all'ossido d'argento) con una capacità di 235 mAh. La batteria all'ossido d'argento ha una tensione di uscita nominale di 1,55 V e la batteria a bottone più grande che possiamo trovare in commercio è la SR44W con una capacità di 200 mAh. Se torniamo al nostro progetto e ne analizziamo i requisiti, vediamo che l'elettrodo deve funzionare per 5 giorni. Costruendo un profilo di carico, scopriamo che la patch consumerà circa 45 mA al giorno o 225 mA in 5 giorni. La necessità di una batteria con capacità più elevata elimina la cella a bottone all'ossido d'argento dalla rosa delle possibilità e ci lascia con una batteria al litio-manganese come opzione più adatta per questa applicazione.
Conclusione
La scelta della batteria più adatta alla propria applicazione richiede un'attenta valutazione di requisiti quali forma, compatibilità e funzione. Conoscendo i punti di forza e di debolezza di ogni composizione chimica della batteria, è possibile selezionare la batteria più adatta ai requisiti di progettazione del proprio sistema.