【技術文章】如何為保健醫療裝置設計選擇合適的電池

電池的化學組成和外型尺寸非常多樣化，因此對於具體應用而言，很難明確選擇合適的電池。本文將介紹不同的標準，目的在協助工程師選擇適合其使用場景的電池。此外並將討論目前市面上常見的五種一次電池化學組成及其可能適合的應用領域。本文將主要討論醫療健康應用，並提供採用一次電池的各種不同產品的適用指南。

選擇合適的一次電池可能需要在多個相互衝突的要求之間進行權衡。如果您希望電池容量夠大，能夠在較長時間內為裝置持續供電，並且輸出電壓範圍符合積體電路供電需求，通常，您會希望電池尺寸越精巧越好，以儘量縮小產品的整體尺寸。此外，還需要考慮成本、供貨情況和保存期限。基於工程師的職責，還必須考慮設計決策對環境的影響。我們為產品選擇的電池最終可能會被丟進垃圾掩埋場，並且之後便長期堆放在那裡很多年。為了協助設計人員正確選型，我們將重點關注常用的鹼性電池、鋰金屬電池、氧化銀電池和鋅空氣電池的化學組成，並評估它們在一次性心電圖(ECG)胸貼設計中的使用情況。

一次電池和二次電池之間的主要區別在於一次電池不可充電，而二次電池可以充電。一次電池中發生的電化學反應是不可逆的。一旦陽極氧化，電池就無法再產生電能。而在可充電電池中，陽極可以被去氧。因此，電池可以充電並重複使用。二次電池通常比一次電池昂貴，一般不會用於一次性系統。一次電池由於自放電電流較低，因此具有較長的保存期限，但是可充電的二次電池可以提供更多電量，尤其是在大電流應用中。

不同類型電池對環境造成影響的問題比較複雜。一方面，二次電池可重複使用，不需要經常更換，這表示產生的廢物更少。另一方面，二次電池含有可能對環境有害的危險物質。一次電池也含有危險物質，但濃度更低。在比較此兩種類型的電池時，單就一塊電池而言，二次電池比一次電池排放的溫室氣體多，產生的危險廢物多。然而，經過20次充電迴圈後，二次電池產生的廢物比一次電池少90%，因此被認為更加環保。¹。

醫療應用電池必須滿足嚴格的安全和性能標準。針對醫療電氣設備的ANSI/AAMI ES 60601-1標準規定了電池必須符合的幾項監管標準，包括針對一次電池的IEC 60086-4和IEC 60086-5，以及針對家用和商用電池的UL2054。此外，還有針對不同應用的特定標準，例如針對電動牙刷的ISO 20127。²。

FDA對鋰電池也有具體要求，包括必須在經過UL認證的工廠生產，並且每塊電池必須可溯源以便進行故障分析。除了正確選擇電池化學組成，還必須仔細審查電池製造商，以確保其符合 FDA和IEC的相關應用法規要求。²。

一次電池通常提供兩種電壓範圍：1.5 V和3.3 V。應選用哪個電壓範圍取決於具體應用。降壓轉換器通常比升壓轉換器更高效。³電池調節器一般採用降壓-升壓轉換器，以盡可能提高電池的電壓範圍。然而，降壓-升壓轉換器通常有四個（而非兩個）開關，所以比降壓轉換器更大，並且需要更多的外部元件。

圖1. 一次電池的化學組成。

鹼性電池具有較明顯的優勢，例如適合為電視遙控器或時鐘等類比電路供電，是最常用的一種一次電池。相較於其他電池化學組成，這些電池具有較高的內阻，內阻會隨著電池放電而增加。由於此一特性，鹼性電池通常不適合那些需要更高負載或具有不同工作週期和工作模式的數位電路。隨著電池物理尺寸減小，鹼性電池的內阻也會增大。因此，較高電流應用（例 如具有大量LED和喇叭的玩具）可能需要使用1號電池(D cell battery)，其中的時鐘可由鈕扣型電池供電。一般認為鹼性電池的使用和儲存都比較安全，幾乎不用擔心爆炸或洩漏問題，而鹼性電池的監管標準也與鋰電池不同。

鹼性電池通常不用於醫療裝置，因為相較於其他電池化學組成，鹼性電池的功率輸出有限，且使用壽命短。在醫療應用中，鹼性電池可用於低成本血糖儀、溫度計和其他不常用、非關鍵 功能的裝置中。

圖2. 鋰離子一次電池：鋰-二氧化錳（Li-M或 LiMnO2）和二硫化鋰( (Li-FeS2)。

市場上有幾種鋰基一次電池，其原理是將鋰用於陽極材料，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一次電池是二氧化鋰錳 (LiMnO2) 和二硫化鋰(LiFeS2)。

LiMnO2 電池的標稱輸出電壓為3 V，內阻較低。非常適合需要不同負載曲線和工作週期的數位應用。 LiFeS2電池的標稱輸出電壓為1.5 V，內阻與LiMnO2電池類似。LiFeS2電池通常可以直接取代鹼性電池，用於需要1.5 V電壓的裝置。

鋰金屬電池容易洩漏和爆炸，因此需要進行特殊處理和施加運輸限制。然而，相較於鹼性電池，鋰金屬電池具有許多優勢：在相似外型尺寸下，容量是鹼性電池的兩倍、使用壽命更長、 重量更輕。

因此，在許多應用中，鋰金屬電池正逐步取代鹼性電池。鋰金屬電池還可用於關鍵的醫療裝置（如連續血糖監測儀、輸液泵和除顫器等植入設備）。⁴

另一種常見的一次電池是氧化銀(Ag-O)電池，它將銀用於陰極，將鋅用於陽極。氧化銀電池具有與鹼性電池相似的標稱輸出電壓（即1.55 V），但容量更高，放電曲線更平坦，因而適合數位應用。由於陰極中存在銀，大尺寸氧化銀電池會非常昂貴，因此氧化銀電池主要用於鈕扣型電池或扣式電池。

圖3. 氧化銀電池通常用於手錶電池。

以往的實際應用表明，氧化銀電池容易洩漏，因此會在電池中增加汞來抵消腐蝕。近年來，電池製造商找到了其他方法，而能在不使用汞的情況下也儘量減少腐蝕，進而使氧化銀電池對環境更具永續性。相較於鋰電池，氧化銀電池通常更安全、執行時間更長，兩種電池的放電曲線相似，但由於氧化銀電池採用銀陰極，導致其成本更高，因此限制了其在低成本場景中的應用。由於銀塗層可以降低植入式裝置引起感染的風險，因此Ag-O電池化學材料越來越多地用於植入式裝置。⁵。

相較於以往的電池化學組成，鋅空氣電池具有獨特的電池化學組成。鋅空氣電池採用鋅陽極，周圍空氣是陰極，中間有電解膏。該電池採用典型的鈕扣型電池形狀，外殼上有一個開口，可讓空氣進入。在電池使用之前，開口是密封的，如此可防止空氣進入電池。一旦密封破損，氧氣就會從陰極進入，電子開始從鋅陽極流過電解膏，到達陰極。由於鋅空氣電池的陰極不是金屬（其他電池的化學組成），因此鋅空氣電池重量輕且經濟高效。它們還能保持電荷並具有相對平坦的放電率。鋅空氣電池的輸出電壓範圍為0.9 V至1.4 V。

圖4. 助聽器通常由鋅空氣電池供電。

由於鋅空氣電池必須暴露在環境中才能工作，因此其在醫療裝置中的使用受到限制。許多醫療裝置要求在一定程度上與環境隔離，而鋅空氣電池不允許如此做法。由於這些電池構造輕巧且使用壽命長，因此主要用於助聽器電池。

上面我們概述了目前常見的電池化學組成及其可提供的功能，現在我們透過應用示例逐一介紹。在本例中，我們考慮一個預期執行時間為5天的ECG胸貼。這個可穿戴貼片的設計為一次性、完全密封（無法更換電池）、防水，並具有藍牙® 通訊功能，可透過無線方式傳輸ECG資料。該貼片還將包括一個 MAX30208 溫度感測器（用於記錄患者體溫）和一個 ADXL367加速度計（用於監測患者活動資訊），因此適用於醫院、門診診所和患者家中使用。在本應用中，我們將 MAX30001用於ECG類比前端(AFE)，將 MAX32655用於微控制器單元(MCU)。將根據電池來選擇電源管理方案。

圖5. ECG貼片示例方框圖

根據這些要求，我們可以決定應使用哪種電池。可穿戴產品設計精巧，這代表電池的外型尺寸應當小巧輕便，因此應使用鈕扣型電池。首先可以排除二硫化鋰電池，因為鈕扣型電池不會採用此種類型。由於貼片是一次性的，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，並還需要能支援藍牙通訊，而且MAX32655具有不同的工作模式， 根據這些要求，鹼性電池由於內阻高，顯然無法支援此應用。因此我們只能選擇鋰錳和氧化銀一次電池化學組成。

鋰錳電池的標稱輸出電壓為3.0V，比氧化銀電池具有更高的比能量。我們可以輕鬆地用容量為235 mAh的（氧化銀）CR2032電池供電。氧化銀電池的標稱輸出電壓為1.55 V，我們能找到的、現有最大的鈕扣型電池是容量為200 mAh的SR44W電池。我們再來看一下設計要求，貼片需要能維持5天的操作，透過建構負載曲線，我們發現該貼片每天預計消耗45 mA的電流，或者在5天內會消耗225 mA的電流。對更高容量電池的要求削弱了氧化銀鈕扣型電池的競爭優勢，因此針對此應用我們將選擇鋰錳電池。

針對具體應用選擇電池時需要謹慎考慮外型尺寸、適配性和功能，透過瞭解每種電池化學組成的優缺點，對於能合理選擇適合系統設計要求的電池將非常有助益。

¹ Giovanni Dolci、Camilla Tua、 Mario Grosso和Lucia Rigamonti。 「能耗產品的生命週期評估：家用一次性電池和可充電電池的比較。」《國際生命週期評估雜誌》，2016年第21卷。

²Jeff Shepard。 「工業鋰電池和醫用鋰電池有何不同？」電池電源提示，2023年。 

³ 「使用SIMO延長智慧型手錶的使用壽命。」ADI，2019年。

⁴ David C Bock、Amy Marschilok、Kenneth J. Takeuchi、Esther S. Takeuchi。 「用於為植入式生物醫學裝置供電的電池.。」《電化學學 報》，2012年第84卷。

⁵J. M. Schierholz、L. J. Lucas、A. Rump 和 G. Pulverer。「鍍銀醫療器械的功效。」《醫院感染雜誌》，1998年第40卷。

⁶Fahad Masood。「由一次性電池供電的遠端患者監護儀的電源設計要素。」ADI，2022年4月。

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