權衡外型尺寸/適配性/功能　保健醫療裝置電池選用有方(2)

鋰電池

(承前文)市場上有幾種鋰基一次電池，其原理是將鋰用於陽極材料，將金屬作為陰極。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)(圖2)。

LiMnO₂電池的標稱輸出電壓為3V，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1.5V，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1.5V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)。

氧化銀電池

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1.55V)，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)。

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電池化學材料使用於植入式裝置的情況越來越多。

鋅空氣電池

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設計，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，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0.9V至1.4V。

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(圖4)。

ECG應用電池選擇

前文概述了目前常見的電池化學組成及其可提供的功能，現在透過應用示例逐一介紹。在本例中，假設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，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。

根據這些要求，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能量。可以輕鬆地用容量為235mAh的鋰錳CR2032電池供電。氧化銀電池的標稱輸出電壓為1.55V，現有最大的鈕扣型電池是容量為200mAh的SR44W電池。對照設計要求，貼片需要能維持5天的操作，透過建構負載曲線，發現該貼片每天預計消耗45mA的電流，或者在5天內會消耗225mA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。

(本文作者為ADI資深應用工程師)

權衡外型尺寸/適配性/功能　保健醫療裝置電池選用有方(1)

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