植入式医疗器械中的锂离子电池

在当今的许多应用中，电池寿命是一个至关重要的因素。对于植入式医疗设备，患者需要确信电池会给他们提供很长的充电间隔时间，称为充电间隔。

几乎同样重要的是，电池的有用容量以及充电之间的时间将在其使用寿命内逐渐减少，这决定了它需要多少年才需要更换。这决定了电池的寿命以及可以使用多少次有用的充电/放电循环。在选择电池时，寿命可能是一个关键的购买标准——一旦电池达到其使用寿命，就需要更换，这将涉及植入式设备中的某种外科手术。

简介

通常，在需要充电之前，电池可以使用的时间减少 20% 被视为容量减少成为问题的时间点。因此，可充电电池的使用寿命通常定义为在容量降至其原始值的 80% 之前的充电/放电循环次数。

对于医疗设备的设计人员来说，获得有关市场上可用的不同可充电电池的准确信息非常重要。当他们查看来自不同制造商的电池时，他们需要确信他们正在比较相同的参数，并且数据表上的数字反映在可能的实际行为中。

在本文中，我们将研究设计人员如何确保他们获得正确的信息，以此作为他们的决策依据。我们将回顾哪些因素会影响锂离子电池的使用寿命，这一点尤为重要，因为锂离子电池比其他技术更容易受到变化的影响，其性能受测试、使用和使用条件的影响很大。存储。

电池寿命如何受到影响

对于任何可充电电池，用户需要多久寻找一次充电点取决于多种因素。

首先，有环境因素，如温度和振动。环境因素会对电池寿命产生很大影响，在大约 25°C 的温度下降解最少，这被认为是锂离子电池的典型特征。这也意味着热管理在某些应用中可能很重要，例如电动汽车，以确保充电或放电产生的热量不会使电池温度升高过高。

但对于植入式医疗设备中的电池，这些因素通常不会产生重大影响。这是因为在植入后，医疗设备保持在大约 37°C 的恒定温度，并且冲击或振动很小。

对于医疗设备，对充电间隔的主要影响归结为所谓的“操作因素”。这些包括充电和放电速率以及电池充电和放电到的满容量百分比。存储也很重要——电池在长时间存储期间保持的电量百分比会影响其安装到设备中并投入使用后的行为。

充电电压是关键

在锂离子电池中，正负极之间的电位差会随着电池的充电而增加，并且能量被投入到电池中。然后随着电池在使用中放电而减少，并消耗能量。

这意味着可以在端子上测量的电压是电池充满电的可靠指示，因此，电池中还剩余多少能量。例如，此类电压测量是您的智能手机或笔记本电脑如何确定其剩余电池寿命的百分比，然后可以估计您在电池失去所有电量之前还有多少时间。

对于医疗应用，锂离子电池的额定电压通常为 3.6 V 或 3.7 V。在实践中，标准程序是将电池充电至最大约 4.1 V 并使其放电至低电压点为 2.7 V。充电停止的最大电压称为充电终止电压 （EoCV） 电平。

但是如果我们改变这些参数会发生什么？相反，如果电池仅放电至高于 2.7 V 的最低电压，那么它将仅放电其部分容量。例如，如果我们在电池电压达到 3 V 时停止运行电池，这可能意味着电池仅放电到其容量的 40% 或 50%。

这个低电压点定义了所谓的放电深度 （DoD）。因此，电池完全放电被认为是 100% DoD，而我们可以用较小的 DoD 百分比来测量寿命。另一个可能对寿命产生影响的变化是将上限电压端点从 4.1 V 降低到一个较低的值。

这些变化的原因是锂离子电池中发生了不同的化学反应，例如降解电解质或在阳极上沉积不溶性化合物，从而降低其效率。

这些电压变化在实践中产生了惊人的巨大差异。如果我们改变电压上限和下限，哪怕是一点点，电池寿命中的充电/放电循环次数也只能减少到以前的 20%，甚至更少。

尽管我们在这里只讨论电荷和电压的微小变化，但请记住，可充电电池最终可能会在现场完全放电。例如，患者可能只是忘记在正确的时间给电池充电，导致其电压降得太低，或者电池可能会存放很长时间。

这与我们刚刚讨论的寿命变化是一个不同的问题，但对于许多锂离子电池来说，这种完全放电会造成损坏，从而大大降低它们的可用性。EnerSys 已通过其零电压技术解决了这一问题，该技术可确保电池即使在放电至 0 V 后仍能以峰值容量运行（图 1 和图 2）。

图 1：可用电池容量

测试

当我们测试我们自己的 Quallion 电池时，我们展示了出色的低容量衰减性能，同时在 100% 到 20% 的 DoD 值下循环电池。我们的意思是，即使经过多次充电/放电循环，电池容量的损失也将降至最低。

通过降低 EoCV，可以在电循环期间进一步提高容量衰减性能。将 EoCV 从 4.1 V 的最大推荐值修改为 4.0 V 的较低值将增加电池的可用容量。

当我们查看 100% DoD（这是医疗应用中的常见用例）时，我们会检查电池在达到 80% 初始保留容量时的循环寿命。大多数医疗应用都指定了此操作周期寿命值，并且所需的值因医疗设备的预期用途而异。

通常，医疗应用要求电池在 100% DoD 循环条件下满足 500 到 1，000 次循环，同时保持电池初始保留容量的 80%。其医用电池中使用的 Quallion 化学成分超过了这些循环要求，具有 80% 或更好的保留容量。

结论

即使操作条件（例如充电和放电电压）的微小差异也会对电池寿命或使用寿命产生很大影响。这意味着设备设计人员应确保他们以同类方式比较电池，并应检查电池制造商在其数据表上指定的测试条件。

审核编辑：郭婷