Fahad Masood，資深應用工程師
摘要
由於有許多不同的電池化學成分和形狀，要選擇適合您應用的電池並不容易。本文將提出不同的準則，以幫助工程師選擇最適合他們使用情境的電池。此外，我們將討論當前市場上五種最流行的一次性電池化學成分，以及它們可能適合的應用場景。本文將主要涉及醫療應用，並提供可應用於多種不同產品實現一次性電池的指南。
引言
選擇適合的一次性電池可以在多個競爭性要求之間取得平衡。您希望電池具有足夠的容量，以在足夠的時間內為您的設備供電，並且輸出電壓範圍必須足夠適用於您正在供電的集成電路。通常，您會希望電池尺寸越小越好，以最小化整體產品尺寸。您需要考慮成本、可用性和保質期。作為工程師，我們還有責任考慮我們設計決策的環境影響。我們所選擇的電池可能最終會被投入垃圾填埋場多年。為了幫助設計師做出決策，我們將專注於最常用的鹼性、鋰金屬、氧化銀和鋅空氣電池化學成分，並評估它們在一次性心電圖（ECG）胸貼設計中的應用。
一次性電池 vs. 可充電電池
一次性電池和可充電電池的主要區別在於，一次性電池無法充電，而可充電電池可以。在一次性電池中，發生的電化學反應是不可逆轉的。一旦陽極氧化，電池就無法再產生電力。在可充電電池中，陽極可以脫氧化。因此，電池可以充電並重複使用。可充電電池通常比一次性電池更昂貴，這通常意味著它不適用於一次性系統。一次性電池也由於其低自放電電流而具有較長的保質期，但在高電流應用中，可充電二次電池可以提供更多的電力。不同類型電池的環境影響是一個複雜的問題。一方面，可充電電池是可重複使用的，不需要經常更換，這意味著產生的廢物較少。另一方面，可充電電池含有對環境有害的危險材料。一次性電池也含有危險材料，但濃度低得多。從每個電池的角度來比較兩種電池時，可充電電池排放的溫室氣體更多，產生的危險廢物也比一次性電池多。但是，在20次充放電循環後，可充電電池產生的廢物量比一次性電池少90%，因此被認為更環保。
醫療標準
用於醫療應用的電池必須符合嚴格的安全和性能標準。用於醫療電氣設備的ANSI/AAMI ES 60601-1標準指定了電池必須符合的幾項規範標準，包括IEC 60086-4和IEC 60086-5用於一次性電池，以及UL2054用於家用和商用電池。此外，不同應用還有特定的標準，例如ISO 20127用於動力牙刷。
FDA還對鋰電池有特定要求，包括它們必須在獲得UL認證的工廠生產，並且每個電池必須可追溯以進行失效分析。除了選擇正確的電池化學成分之外，還要仔細檢查電池製造商，以確保他們符合您應用的FDA和IEC法規。
電壓範圍
一次性電池通常有兩種電壓範圍，分別為1.5 V和3.3 V。使用哪種範圍取決於應用。降壓轉換器通常比升壓轉換器更高效。電池調節器的常見策略是使用降壓升壓轉換器來最大化電池電壓範圍。然而，降壓升壓轉換器通常比降壓轉換器更大，需要更多外部組件，因為它們有四個開關而不是兩個。
圖1. 一次性電池化學成分。
鹼性電池
鹼性電池是使用最廣泛的一次性電池，部分原因是它們適用於像電視遙控器或時鐘中發現的模擬電路的供電。與其他電池化學成分相比，這些電池具有較高的內部電阻，在電池放電時會增加。由於這種特性，鹼性電池通常不適用於需要較高負載或具有不同工作週期和工作模式的數位電路。隨著電池大小的減小，鹼性電池的內部電阻也會增加。因此，像擁有大量LED和揚聲器的玩具可能需要D型電池，而時鐘可以使用硬幣電池。鹼性電池被認為是安全的，存放時幾乎不會引起爆炸或漏液的擔憂，且不需要遵守與鋰離子電池相同的監管標準。
鹼性電池通常不用於醫療設備，因為與其他電池化學成分相比，它們的功率輸出有限且壽命較短。在醫療應用中，它們可以在低成本葡萄糖計、溫度計和其他很少使用且不需要進行關鍵功能的設備中找到。
圖2. 鋰離子一次性電池：鋰錳二氧化物（Li-M或LiMnO2）和鋰二硫化物（Li-FeS2）。
市場上有幾種基於鋰的一次性電池，它們都使用鋰作為陽極材料，金屬作為陰極。這些通常被稱為鋰金屬電池。最廣泛使用的兩種鋰金屬一次性電池是鋰錳二氧化物（LiMnO2）和鋰二硫化物（LiFeS2）。
LiMnO2電池的名義輸出電壓為3 V，內部電阻低。這使它們非常適合需要不同負載配置和工作週期的數位應用。LiFeS2電池的名義輸出電壓為1.5 V，內部電阻類似。它們通常被用作在需要此電壓的設備中直接替代鹼性電池。
鋰金屬電池易於滲漏和爆炸，因此需要特殊處理和運輸限制。然而，它們在許多方面都比鹼性電池具有優勢：相似形式因子下的兩倍容量、更長的壽命和更輕的重量。
因此，鋰金屬電池正在取代許多應用中的鹼性電池。鋰金屬電池也用於關鍵醫療設備，如連續葡萄糖計、輸液泵和植入式設備，如心臟除顫器。
圖3. 氧化銀電池通常用於手錶電池。
氧化銀（Ag-O）電池
是另一種常見的一次性電池，它使用銀作為陽極，鋅作為陰極。它們與鹼性電池具有類似的額定輸出電壓（即1.55 V），但具有更高的容量和更平坦的放電曲線，使其適用於數位應用。由於陽極中含有銀，大型尺寸的Ag-O電池可能會比較昂貴，因此它們主要用於硬幣電池或鈕釦電池的形式因子。
從歷史上看，Ag-O電池往往會滲漏，而為了抵消腐蝕，會在電池中加入汞。近年來，電池製造商已能夠找到其他方法來最小化腐蝕，而無需使用汞，使Ag-O電池對環境更加可持續。Ag-O電池通常比鋰電池更安全，運行時間更長，但由於銀陽極的限制使其成本較高，因此在較低成本應用中的應用受到限制。
由於銀塗層可以減少植入設備引起的感染風險，Ag-O電池化學組成越來越多地用於植入式設備中。
圖4. 聽力助聽器通常由鋅氧電池供電。
鋅氧電池
鋅氧電池與之前的電池化學組成相比具有獨特的電池化學組成。鋅氧電池具有鋅陽極，而環境空氣則是陰極，中間有一層電解質膏。電池的形式因子通常是一個硬幣電池形式，外殼上有一個開口，允許空氣進入。在電池使用之前，封口會密封以防止空氣進入電池。一旦封口被打破，氧氣會進入陰極，電子從鋅陽極流過電解質膏到達陰極。由於陰極不是像其他電池化學組成那樣是金屬，鋅氧電池輕巧且成本效益高。它們還可以保持充電並具有相對平坦的放電速率。鋅氧電池的輸出電壓範圍為0.9 V至1.4 V。
由於電池必須暴露於環境中才能工作，它在醫療設備中的使用受到限制。許多醫療設備需要對環境有一定程度的保護，而鋅空氣電池則無法提供。這些化學組成最常用於助聽器電池，因其輕巧的結構和長壽命。
應用實例
現在我們已經回顧了常見的電池化學組成及其提供的功能，讓我們通過一個應用實例來進行分析。對於這個例子，讓我們考慮一個帶有預期運行時間為5天的心電圖胸貼。這款可穿戴式貼片將被設計為一次性使用，完全密封（電池無法更換），防水，並且具有藍牙®通信功能，可無線傳輸心電圖數據。該貼片還將包括一個MAX30208溫度傳感器，以記錄患者的體溫，以及一個ADXL367加速度計，用於監測有關患者活動的信息。它可以在醫院、門診診所以及患者的家中使用。我們知道我們想在這個應用中使用MAX30001作為心電圖模擬前端（AFE），並使用MAX32655微控制器單元（MCU）。我們將根據電池來選擇電源管理解決方案。
圖5. ECG 貼片範例區塊圖。
基於這些需求，我們可以就使用的電池做出適當的決定。可穿戴式設計非常緊湊，這意味著電池的形式因子應該小而輕巧，因此我們應該以硬幣（鈕釦）電池形式因子為目標。我們可以排除 Li-二硫化鋰電池，因為它們不適用於硬幣（鈕釦）電池形式因子。我們知道貼片是一次性的，所以我們不能使用二次或可充電電池。我們也知道電池是完全密封的，這使我們無法使用氧化鋅電池。藍牙通信和 MAX32655 的不同操作模式也合理地使我們假設鹼性電池無法支持此應用，因為其內部電阻很高。這使我們只能選擇錳鋰和氧化銀一次性電池化學組成作為我們的選擇。
錳鋰電池的名義輸出電壓為3.0 V，比氧化銀電池具有更高的比能量。我們可以輕鬆地獲得一個（氧化銀）CR2032 電池，其容量為235 mAh。氧化銀電池的名義輸出電壓為1.55 V，我們可以在現成市場上找到的最大硬幣電池形式因子是 SR44W 電池，容量為200 mAh。如果我們回到我們的設計並查看需求，我們會發現我們的貼片需要運行5天。通過構建負載配置文件（在先前的文章中更深入地討論了這個主題），我們發現貼片每天消耗約45 mA，5天內總共消耗約225 mA。對於更高容量電池的需求將氧化銀硬幣電池排除在競爭之外，只留下錳鋰電池作為我們此應用的選擇。
結論
為您的應用選擇電池需要仔細考慮形狀、適配性和功能。通過了解每種電池化學組成的優缺點，您可以為您的系統設計需求選擇最佳電池。
參考資料
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4David C Bock , Amy Marschilok, Kenneth J. Takeuchi, Esther S. Takeuchi. “Batteries Used to Power Implantable Biomedical Devices.” Electrochim Acta, Vol. 84, 2012.
5J. M. Schierholz, L. J. Lucas, A. Rump, and G. Pulverer. “Efficacy of Silver-Coated Medical Devices.” The Journal of Hospital Infection, Vol. 40, 1998.
6Fahad Masood. “Power Supply Design Considerations for Primary Cell Powered Remote Patient Monitors.” Analog Devices, Inc., April 2022.
作者
Fahad Masood 是 Analog Devices 的高級應用工程師，專注於健康和醫療生物感測應用。他在醫療保健、計算和工業應用的電子開發方面擁有近十年的經驗。Fahad 在羅切斯特理工學院取得了電機工程學士學位，專攻生物醫學電子。
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