摘要

　　電池的化學(xué)組成和外形尺寸多種多樣,，因此對于具體應(yīng)用，很難確定如何選擇合適的電池,。本文將介紹不同的標(biāo)準(zhǔn),，旨在幫助工程師選擇適合其使用場景的電池,。此外,，本文還將討論目前市場上常見的五種原電池化學(xué)組成及其可能適合的應(yīng)用領(lǐng)域。本文將主要討論醫(yī)療健康應(yīng)用,，并提供采用原電池的各種不同產(chǎn)品的適用指南,。

　　簡介

　　選擇合適的原電池可能需要在多個(gè)相互沖突的要求之間進(jìn)行權(quán)衡。您希望電池容量足夠大,，能夠在較長時(shí)間內(nèi)為設(shè)備持續(xù)供電,，并且輸出電壓范圍符合集成電路供電需求。通常,，您會(huì)希望電池尺寸越小越好,，以盡量縮小產(chǎn)品的整體尺寸。此外,，還需要考慮成本,、供貨情況和保質(zhì)期。作為工程師的職責(zé),，我們還必須考慮設(shè)計(jì)決策對環(huán)境的影響,。我們?yōu)楫a(chǎn)品選擇的電池最終可能會(huì)被丟進(jìn)垃圾填埋場，一直堆放在那里很多年,。為了幫助設(shè)計(jì)人員正確選型,，我們將重點(diǎn)關(guān)注常用的堿性電池、鋰金屬電池,、氧化銀電池和鋅空氣電池的化學(xué)組成,，并評(píng)估它們在一次性心電圖（ECG）胸貼設(shè)計(jì)中的使用情況。

　　原電池與二次電池

　　原電池和二次電池之間的主要區(qū)別在于原電池不可充電,，而二次電池可以充電,。原電池中發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)是不可逆的。一旦陽極氧化,，電池就無法再產(chǎn)生電能,。而在可充電電池中，陽極可以被脫氧,。因此,，電池可以充電并重復(fù)使用。二次電池通常比一次電池昂貴,，一般不會(huì)用于一次性系統(tǒng),。原電池由于自放電電流較低而具有較長的保質(zhì)期，但是可充電的二次電池可以提供更多電量,，尤其是在大電流應(yīng)用中,。

　　不同類型電池對環(huán)境造成影響的問題比較復(fù)雜。一方面,，二次電池可重復(fù)使用,，不需要經(jīng)常更換,，這意味著產(chǎn)生的廢物更少。另一方面,，二次電池含有可能對環(huán)境有害的危險(xiǎn)物質(zhì),。原電池也含有危險(xiǎn)物質(zhì)，但濃度要低得多,。在比較這兩種類型的電池時(shí),，單就一塊電池而言，二次電池比原電池排放的溫室氣體多,，產(chǎn)生的危險(xiǎn)廢物多,。然而，經(jīng)過20次充電循環(huán)后,，二次電池產(chǎn)生的廢物比一次性原電池少90%，因此被認(rèn)為更加環(huán)保,。¹

　　醫(yī)療應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)

　　醫(yī)療應(yīng)用電池必須滿足嚴(yán)格的安全和性能標(biāo)準(zhǔn),。針對醫(yī)療電氣設(shè)備的ANSI/AAMI ES 60601-1標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了電池必須符合的幾項(xiàng)監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)，包括針對原電池的IEC 60086-4和IEC 60086-5,，以及針對家用和商用電池的UL2054,。此外，還有針對不同應(yīng)用的特定標(biāo)準(zhǔn),，例如針對電動(dòng)牙刷的ISO 20127,。²

　　FDA對鋰電池也有具體要求，包括必須在經(jīng)過UL認(rèn)證的工廠生產(chǎn),，并且每塊電池必須可溯源以便進(jìn)行故障分析,。除了正確選擇電池化學(xué)組成，還必須仔細(xì)審查電池制造商,，以確保其符合FDA和IEC的相關(guān)應(yīng)用法規(guī)要求,。²

　　電壓范圍

　　原電池通常提供兩種電壓范圍：1.5 V和3.3 V。應(yīng)選用哪個(gè)電壓范圍取決于具體應(yīng)用,。降壓轉(zhuǎn)換器通常比升壓轉(zhuǎn)換器更高效,。3電池調(diào)節(jié)器一般采用降壓-升壓轉(zhuǎn)換器，以盡可能提高電池的電壓范圍,。然而,，降壓-升壓轉(zhuǎn)換器通常有四個(gè)（而非兩個(gè)）開關(guān)，所以比降壓轉(zhuǎn)換器更大,，并且需要更多的外部組件,。

　　表1.原電芯比較

　　圖1.原電池的化學(xué)組成。

　　堿性

　　堿性電池具有較明顯的優(yōu)勢,，例如適合為電視遙控器或時(shí)鐘等模擬電路供電,，是最常用的一種原電池,。與其他電池化學(xué)組成相比，這些電池具有較高的內(nèi)阻,，內(nèi)阻會(huì)隨著電池放電而增加,。由于這一特性，堿性電池通常不適合那些需要更高負(fù)載或具有不同占空比和工作模式的數(shù)字電路,。隨著電池物理尺寸減小,，堿性電池的內(nèi)阻也會(huì)增大。因此,，較高電流應(yīng)用（例如帶有大量LED和揚(yáng)聲器的玩具）可能需要使用1號(hào)電池（D cell battery）,，其中的時(shí)鐘可由紐扣電池供電。一般認(rèn)為堿性電池的使用和儲(chǔ)存都比較安全,，幾乎不用擔(dān)心爆炸或泄漏問題,，堿性電池的監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)與鋰離子電池不同。

　　堿性電池通常不用于醫(yī)療設(shè)備,，因?yàn)榕c其他電池化學(xué)組成相比,，堿性電池的功率輸出有限且使用壽命短。在醫(yī)療應(yīng)用中,，堿性電池可用于低成本血糖儀,、溫度計(jì)和其他不常用、非關(guān)鍵功能的設(shè)備中,。

　　圖2.鋰離子原電池：鋰-二氧化錳（Li-M或LiMnO₂）和二硫化鋰（Li-FeS₂）,。

　　市場上有幾種鋰基原電池，它們都將鋰用作陽極材料,，將金屬用作陰極,。這些電池通常稱為鋰金屬電池。使用最廣泛的兩種鋰金屬原電池是二氧化鋰錳（LiMnO₂）和二硫化鋰（LiFeS₂）,。

　　LiMnO2電池的標(biāo)稱輸出電壓為3 V,，內(nèi)阻較低。非常適合需要不同負(fù)載曲線和占空比的數(shù)字應(yīng)用,。LiFeS2電池的標(biāo)稱輸出電壓為1.5 V,，內(nèi)阻與LiMnO₂電池類似。LiFeS₂電池通?？梢灾苯尤〈鷫A性電池,，用于需要1.5 V電壓的設(shè)備。

　　鋰金屬電池容易泄漏和爆炸,，因此需要進(jìn)行特殊處理和施加運(yùn)輸限制,。然而，與堿性電池相比,，鋰金屬電池具有許多優(yōu)勢：在相似外形尺寸下,，容量是堿性電池的兩倍,、使用壽命更長、重量更輕,。

　　因此,，在許多應(yīng)用中，鋰金屬電池正逐步取代堿性電池,。鋰金屬電池還用于關(guān)鍵醫(yī)療設(shè)備（如連續(xù)血糖監(jiān)測儀,、輸液泵和除顫器等植入設(shè)備）。⁴

　　氧化銀電池

　　另一種常見的原電池是氧化銀（Ag-O）電池,，它將銀用作陰極,，將鋅用作陽極。氧化銀電池具有與堿性電池相似的標(biāo)稱輸出電壓（即1.55 V）,，但容量更高,，放電曲線更平坦，因而適合數(shù)字應(yīng)用,。由于陰極中存在銀,，大尺寸氧化銀電池會(huì)非常昂貴，因此氧化銀電池主要用于紐扣電池或扣式電池,。

　　圖3.氧化銀電池通常用作手表電池,。

　　以往的實(shí)際應(yīng)用表明,，氧化銀電池容易泄漏,，因此會(huì)在電池中添加汞來抵消腐蝕。近年來,，電池制造商找到了其他方法,，在不使用汞的情況下也能盡量減少腐蝕，從而使氧化銀電池對環(huán)境更具可持續(xù)性,。與鋰電池相比,，氧化銀電池通常更安全、運(yùn)行時(shí)間更長,，兩種電池的放電曲線相似,，但由于氧化銀電池采用銀陰極，導(dǎo)致其成本更高,，因此限制了其在低成本場景中的應(yīng)用,。由于銀涂層可以降低植入式設(shè)備引起感染的風(fēng)險(xiǎn)，因此Ag-O電池化學(xué)材料越來越多地用于植入式設(shè)備,。⁵

　　鋅空氣電池

　　與以前的電池化學(xué)組成相比,，鋅空氣電池具有獨(dú)特的電池化學(xué)組成。鋅空氣電池采用鋅陽極,，周圍空氣是陰極,，中間有電解膏,。該電池采用典型的紐扣電池形狀，外殼上有一個(gè)開口,，可讓空氣進(jìn)入,。在電池使用之前，開口是密封的,，這樣可防止空氣進(jìn)入電池,。一旦密封破損，氧氣就會(huì)從陰極進(jìn)入,，電子開始從鋅陽極流過電解膏,，到達(dá)陰極。由于鋅空氣電池的陰極不是金屬（其他電池的化學(xué)組成）,，因此鋅空氣電池重量輕且經(jīng)濟(jì)高效,。它們還能保持電荷并具有相對平坦的放電率。鋅空氣電池的輸出電壓范圍為0.9 V至1.4 V,。

　　圖4.助聽器通常由鋅空氣電池供電,。

　　由于鋅空氣電池必須暴露在環(huán)境中才能工作，因此其在醫(yī)療設(shè)備中的使用受到限制,。許多醫(yī)療設(shè)備要求在一定程度上與環(huán)境隔離,，而鋅空氣電池不允許這樣做。由于這些電池構(gòu)造輕巧且使用壽命長,，因此主要用于助聽器電池,。

　　應(yīng)用示例

　　上面我們概述了目前常見的電池化學(xué)組成及其可提供的功能，現(xiàn)在我們通過應(yīng)用示例逐一介紹,。在本例中,，我們考慮一個(gè)預(yù)期運(yùn)行時(shí)間為5天的ECG胸貼。這個(gè)可穿戴貼片設(shè)計(jì)為一次性,、完全密封（無法更換電池）,、防水，并具有藍(lán)牙^? 通信功能,，可通過無線方式傳輸ECG數(shù)據(jù),。該貼片還將包括一個(gè)MAX30208溫度傳感器（用于記錄患者體溫）和一個(gè)ADXL367加速度計(jì)（用于監(jiān)測患者活動(dòng)信息）。它可以在醫(yī)院環(huán)境,、門診診所和患者家中使用,。在本應(yīng)用中，我們將MAX30001用作ECG模擬前端（AFE）,，將MAX32655用作微控制器單元（MCU）,。將根據(jù)電池來選擇電源管理方案。

　　圖5.ECG貼片示例方框圖。

　　根據(jù)這些要求,，我們可以決定應(yīng)使用哪種電池,。可穿戴產(chǎn)品設(shè)計(jì)緊湊，這意味著電池的外形尺寸應(yīng)當(dāng)小巧輕便,，因此應(yīng)使用紐扣電池,。首先可以排除二硫化鋰電池，因?yàn)榧~扣電池不會(huì)采用這種類型,。由于貼片是一次性的,，所以不能使用二次電池或可充電電池。此外電池是完全密封的,，因此無法選用鋅空氣電池,。還要支持藍(lán)牙通信，而且MAX32655具有不同的工作模式,，根據(jù)這些要求,，堿性電池由于內(nèi)阻高，顯然無法支持此應(yīng)用,。我們只能選擇鋰錳和氧化銀原電池化學(xué)組成,。

　　鋰錳電池的標(biāo)稱輸出電壓為3.0V，比氧化銀電池具有更高的比能量,。我們可以輕松地用容量為235 mAh的（氧化銀）CR2032電池供電,。氧化銀電池的標(biāo)稱輸出電壓為1.55 V，我們能找到的,、現(xiàn)有最大的紐扣電池是容量為200 mAh的SR44W電池,。我們再來看一下設(shè)計(jì)要求，貼片需要運(yùn)行5天時(shí)間,。通過構(gòu)建負(fù)載曲線（在上一篇文章中進(jìn)行了更深入的討論6）,，我們發(fā)現(xiàn)該貼片每天預(yù)計(jì)消耗45 mA的電流,，或者在5天內(nèi)消耗225 mA的電流,。對更高容量電池的要求削弱了氧化銀紐扣電池的競爭優(yōu)勢，因此針對此應(yīng)用我們將選擇鋰錳電池,。

　　結(jié)論

　　針對具體應(yīng)用選擇電池時(shí)需要認(rèn)真考慮外形尺寸,、適配性和功能。通過了解每種電池化學(xué)組成的優(yōu)缺點(diǎn),，可以合理選擇適合系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的電池,。

　　參考文獻(xiàn)

　　1 Giovanni Dolci、Camilla Tua,、Mario Grosso 和 Lucia Rigamonti,。“能耗產(chǎn)品的生命周期評(píng)估：家用一次性電池和可充電電池的比較?！薄秶H生命周期評(píng)估雜志》,，2016年第21卷。

　　2 Jeff Shepard,?！肮I(yè)鋰電池和醫(yī)用鋰電池有何不同？”電池電源提示,，2023年,。

　　3“使用SIMO延長智能手表的使用壽命?！?a class="innerlink" href="http://forexkbc.com/tags/ADI" target="_blank">ADI公司,，2019年。

　　4 David C Bock,、Amy Marschilok,、Kenneth J. Takeuchi、Esther S. Takeuchi,?！坝糜跒橹踩胧缴镝t(yī)學(xué)設(shè)備供電的電池?！薄峨娀瘜W(xué)學(xué)報(bào)》,，2012年第84卷。

　　5 J. M. Schierholz,、L. J. Lucas,、A. Rump 和 G. Pulverer?！板冦y醫(yī)療器械的功效,。”《醫(yī)院感染雜志》,，1998年第40卷,。

　　6 Fahad Masood?！坝稍姵毓╇姷倪h(yuǎn)程患者監(jiān)護(hù)儀的電源設(shè)計(jì)要素,。”ADI公司,，2022年4月,。

更多精彩內(nèi)容歡迎點(diǎn)擊==>>電子技術(shù)應(yīng)用-AET<<