電池壽命是當(dāng)今許多應(yīng)用中的一個(gè)重要因素。對(duì)于植入式醫(yī)療設(shè)備，患者需要確信電池將讓他們?cè)谛枰匦鲁潆娭g有很長(zhǎng)的時(shí)間，稱為充電間隔。

幾乎同樣重要的是，電池的可用容量以及充電之間的時(shí)間將在其使用壽命內(nèi)逐漸減少，這決定了它在需要更換之前可以使用多少年。這決定了電池的壽命，以及它可以使用多少有用的充電/放電循環(huán)。選擇電池時(shí)，使用壽命可能是一個(gè)關(guān)鍵的購(gòu)買標(biāo)準(zhǔn)——一旦電池達(dá)到使用壽命，就需要更換，這將涉及植入式設(shè)備中的某種外科手術(shù)。

介紹

通常，在需要充電之前，電池可以使用的時(shí)間減少 20%，被視為容量減少成為問題的點(diǎn)。因此，可充電電池的使用壽命通常定義為容量下降到其原始值的 80% 之前的充放電循環(huán)次數(shù)。

對(duì)于醫(yī)療設(shè)備的設(shè)計(jì)人員來說，重要的是他們要獲得有關(guān)市場(chǎng)上可用的不同充電電池的準(zhǔn)確信息。他們需要確信，當(dāng)他們查看來自不同制造商的電池時(shí)，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(shí)際行為中。

在本文中，我們將了解設(shè)計(jì)人員如何確保他們獲得正確的信息以作為其決策的基礎(chǔ)。我們將回顧哪些因素會(huì)影響鋰離子電池的壽命，這些因素尤為重要，因?yàn)殇囯x子電池比其他技術(shù)更容易受到變化的影響，而且它們的性能在很大程度上受測(cè)試、使用和儲(chǔ)存條件的影響.

電池壽命如何受到影響

對(duì)于任何可充電電池，用戶需要多久找到一個(gè)充電點(diǎn)取決于多種因素。

首先，有環(huán)境因素，如溫度和振動(dòng)。環(huán)境因素會(huì)對(duì)電池壽命產(chǎn)生很大影響，在 25°C 左右的溫度下退化最少，這被認(rèn)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)用中很重要，例如電動(dòng)汽車，以確保充電或放電產(chǎn)生的熱量不會(huì)使電池溫度升高得太高。

但對(duì)于植入式醫(yī)療設(shè)備中的電池，這些因素通常不會(huì)產(chǎn)生重大影響。這是因?yàn)樵谥踩牒螅t(yī)療設(shè)備保持在大約 37°C 的恒定溫度，沖擊或振動(dòng)很小。

對(duì)于醫(yī)療設(shè)備，對(duì)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率以及電池充電和放電到的滿容量百分比。存儲(chǔ)也很重要——電池在長(zhǎng)期存儲(chǔ)期間保持的電量百分比會(huì)影響其行為，一旦將其安裝到設(shè)備中并投入使用。

充電電壓是關(guān)鍵

在鋰離子電池中，正負(fù)極之間的電位差隨著電池充電而增大，能量被注入電池。然后隨著電池在使用中放電而減少，并取出能量。

這意味著可以跨端子測(cè)量的電壓是電池充電程度的可靠指示，因此電池中剩余多少能量。例如，此類電壓測(cè)量值是您的智能手機(jī)或筆記本電腦如何確定剩余電池壽命的百分比，然后可以據(jù)此估算電池電量耗盡之前的時(shí)間。

對(duì)于醫(yī)療應(yīng)用，鋰離子電池的額定電壓通常為 3.6V 或 3.7V。在實(shí)踐中，標(biāo)準(zhǔn)程序是將電池充電至最大約 4.1V，并允許其放電至 2.7V 的低點(diǎn)。充電停止時(shí)的最大電壓稱為充電結(jié)束電壓 (EoCV) 電平。

但是如果我們改變這些參數(shù)會(huì)發(fā)生什么？相反，如果電池只放電到高于 2.7V 的最低電壓，那么它只會(huì)放電部分容量。例如，如果我們?cè)陔妷哼_(dá)到 3V 時(shí)停止降低電池電量，這可能意味著電池僅放電到其容量的 40% 或 50%。

這個(gè)低電壓點(diǎn)定義了所謂的放電深度 (DoD)。因此，電池完全放電被認(rèn)為是 100% DoD，而我們可以用較小的 DoD 百分比來測(cè)量壽命。另一個(gè)可能影響壽命的變化是將電壓上限從 4.1V 降低到較低值。

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(shí)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，即使是一點(diǎn)點(diǎn)，電池壽命中的充放電循環(huán)次數(shù)也會(huì)減少到之前的 20%，甚至更少。

盡管我們?cè)谶@里只討論電荷和電壓的微小變化，但請(qǐng)務(wù)必記住，可充電電池在現(xiàn)場(chǎng)最終可能會(huì)完全放電。例如，患者可能只是忘記在正確的時(shí)間給電池充電，導(dǎo)致其電壓降得太低，或者電池可能會(huì)存放很長(zhǎng)時(shí)間。

這與我們剛剛討論的壽命變化不同，但對(duì)于許多鋰離子電池而言，這種完全放電會(huì)造成損壞，從而大大降低其可用性。EnerSys ?通過其 Zero-Volt? 技術(shù)解決了這個(gè)問題，該技術(shù)可確保電池即使在放電至零伏后仍能以峰值容量運(yùn)行（圖 1 和圖 2）。

圖 1：可用電池容量

圖 2： Quallion 電池

測(cè)試一下

當(dāng)我們測(cè)試我們自己的 Quallion ?電池時(shí)，我們已經(jīng)展示了出色的低容量衰減性能，同時(shí)以 100% 的放電深度 (DoD) 值循環(huán)電池，低至 20%。我們的意思是，即使經(jīng)過多次充放電循環(huán)，電池容量的損失也會(huì)最小化。

通過降低充電結(jié)束電壓 (EoCV)，可以在電循環(huán)期間進(jìn)一步提高容量衰減性能。將 EoCV 從最大推薦值 4.1V 修改為較低值 4.0V 將增加電池的可用容量。

當(dāng)我們查看 100% DoD（醫(yī)療應(yīng)用中的常見用例）時(shí)，我們會(huì)檢查電池在達(dá)到初始保留容量的 80% 時(shí)的循環(huán)壽命。大多數(shù)醫(yī)療應(yīng)用都指定了此操作循環(huán)壽命值，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(shí)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)物質(zhì)超過了這些循環(huán)要求，保留容量為 80% 或更高。

結(jié)論

即使工作條件（例如充電和放電電壓）的微小差異也會(huì)對(duì)電池壽命或使用壽命產(chǎn)生重大影響。這意味著設(shè)備設(shè)計(jì)人員應(yīng)確保他們以類似的方式比較電池，并應(yīng)檢查電池制造商在其數(shù)據(jù)表上指定的測(cè)試條件。

審核編輯 黃昊宇