在當(dāng)今的許多應(yīng)用中，電池壽命是一個至關(guān)重要的因素。對于植入式醫(yī)療設(shè)備，患者需要確信電池會給他們提供很長的充電間隔時間，稱為充電間隔。

幾乎同樣重要的是，電池的有用容量以及充電之間的時間將在其使用壽命內(nèi)逐漸減少，這決定了它需要多少年才需要更換。這決定了電池的壽命以及可以使用多少次有用的充電/放電循環(huán)。在選擇電池時，壽命可能是一個關(guān)鍵的購買標準——一旦電池達到其使用壽命，就需要更換，這將涉及植入式設(shè)備中的某種外科手術(shù)。

簡介

通常，在需要充電之前，電池可以使用的時間減少 20% 被視為容量減少成為問題的時間點。因此，可充電電池的使用壽命通常定義為在容量降至其原始值的 80% 之前的充電/放電循環(huán)次數(shù)。

對于醫(yī)療設(shè)備的設(shè)計人員來說，獲得有關(guān)市場上可用的不同可充電電池的準確信息非常重要。當(dāng)他們查看來自不同制造商的電池時，他們需要確信他們正在比較相同的參數(shù)，并且數(shù)據(jù)表上的數(shù)字反映在可能的實際行為中。

在本文中，我們將研究設(shè)計人員如何確保他們獲得正確的信息，以此作為他們的決策依據(jù)。我們將回顧哪些因素會影響鋰離子電池的使用壽命，這一點尤為重要，因為鋰離子電池比其他技術(shù)更容易受到變化的影響，其性能受測試、使用和使用條件的影響很大。存儲。

電池壽命如何受到影響

對于任何可充電電池，用戶需要多久尋找一次充電點取決于多種因素。

首先，有環(huán)境因素，如溫度和振動。環(huán)境因素會對電池壽命產(chǎn)生很大影響，在大約 25°C 的溫度下降解最少，這被認為是鋰離子電池的典型特征。這也意味著熱管理在某些應(yīng)用中可能很重要，例如電動汽車，以確保充電或放電產(chǎn)生的熱量不會使電池溫度升高過高。

但對于植入式醫(yī)療設(shè)備中的電池，這些因素通常不會產(chǎn)生重大影響。這是因為在植入后，醫(yī)療設(shè)備保持在大約 37°C 的恒定溫度，并且沖擊或振動很小。

對于醫(yī)療設(shè)備，對充電間隔的主要影響歸結(jié)為所謂的“操作因素”。這些包括充電和放電速率以及電池充電和放電到的滿容量百分比。存儲也很重要——電池在長時間存儲期間保持的電量百分比會影響其安裝到設(shè)備中并投入使用后的行為。

充電電壓是關(guān)鍵

在鋰離子電池中，正負極之間的電位差會隨著電池的充電而增加，并且能量被投入到電池中。然后隨著電池在使用中放電而減少，并消耗能量。

這意味著可以在端子上測量的電壓是電池充滿電的可靠指示，因此，電池中還剩余多少能量。例如，此類電壓測量是您的智能手機或筆記本電腦如何確定其剩余電池壽命的百分比，然后可以估計您在電池失去所有電量之前還有多少時間。

對于醫(yī)療應(yīng)用，鋰離子電池的額定電壓通常為 3.6 V 或 3.7 V。在實踐中，標準程序是將電池充電至最大約 4.1 V 并使其放電至低電壓點為 2.7 V。充電停止的最大電壓稱為充電終止電壓 （EoCV） 電平。

但是如果我們改變這些參數(shù)會發(fā)生什么？相反，如果電池僅放電至高于 2.7 V 的最低電壓，那么它將僅放電其部分容量。例如，如果我們在電池電壓達到 3 V 時停止運行電池，這可能意味著電池僅放電到其容量的 40% 或 50%。

這個低電壓點定義了所謂的放電深度 （DoD）。因此，電池完全放電被認為是 100% DoD，而我們可以用較小的 DoD 百分比來測量壽命。另一個可能對壽命產(chǎn)生影響的變化是將上限電壓端點從 4.1 V 降低到一個較低的值。

這些變化的原因是鋰離子電池中發(fā)生了不同的化學(xué)反應(yīng)，例如降解電解質(zhì)或在陽極上沉積不溶性化合物，從而降低其效率。

這些電壓變化在實踐中產(chǎn)生了驚人的巨大差異。如果我們改變電壓上限和下限，哪怕是一點點，電池壽命中的充電/放電循環(huán)次數(shù)也只能減少到以前的 20%，甚至更少。

盡管我們在這里只討論電荷和電壓的微小變化，但請記住，可充電電池最終可能會在現(xiàn)場完全放電。例如，患者可能只是忘記在正確的時間給電池充電，導(dǎo)致其電壓降得太低，或者電池可能會存放很長時間。

這與我們剛剛討論的壽命變化是一個不同的問題，但對于許多鋰離子電池來說，這種完全放電會造成損壞，從而大大降低它們的可用性。EnerSys 已通過其零電壓技術(shù)解決了這一問題，該技術(shù)可確保電池即使在放電至 0 V 后仍能以峰值容量運行（圖 1 和圖 2）。

圖 1：可用電池容量

測試

當(dāng)我們測試我們自己的 Quallion 電池時，我們展示了出色的低容量衰減性能，同時在 100% 到 20% 的 DoD 值下循環(huán)電池。我們的意思是，即使經(jīng)過多次充電/放電循環(huán)，電池容量的損失也將降至最低。

通過降低 EoCV，可以在電循環(huán)期間進一步提高容量衰減性能。將 EoCV 從 4.1 V 的最大推薦值修改為 4.0 V 的較低值將增加電池的可用容量。

當(dāng)我們查看 100% DoD（這是醫(yī)療應(yīng)用中的常見用例）時，我們會檢查電池在達到 80% 初始保留容量時的循環(huán)壽命。大多數(shù)醫(yī)療應(yīng)用都指定了此操作周期壽命值，并且所需的值因醫(yī)療設(shè)備的預(yù)期用途而異。

通常，醫(yī)療應(yīng)用要求電池在 100% DoD 循環(huán)條件下滿足 500 到 1，000 次循環(huán)，同時保持電池初始保留容量的 80%。其醫(yī)用電池中使用的 Quallion 化學(xué)成分超過了這些循環(huán)要求，具有 80% 或更好的保留容量。

結(jié)論

即使操作條件（例如充電和放電電壓）的微小差異也會對電池壽命或使用壽命產(chǎn)生很大影響。這意味著設(shè)備設(shè)計人員應(yīng)確保他們以同類方式比較電池，并應(yīng)檢查電池制造商在其數(shù)據(jù)表上指定的測試條件。

審核編輯：郭婷