【導讀】dianchidehuaxuezuchenghewaixingchicunduozhongduoyang，yinciduiyujutiyingyong，hennanquedingruhexuanzeheshidedianchi。benwenjiangjieshaobutongdebiaozhun
，zhizaibangzhugongchengshixuanzeshiheqishiyongchangjingdedianchi。ciwai，benwenhaijiangtaolunmuqianshichangshangchangjiandewuzhongyuandianchihuaxuezuchengjiqikenengshihedeyingyonglingyu。benwenjiangzhuyaotaolunyiliaojiankangyingyong，bingtigongcaiyongyuandianchidegezhongbutongchanpindeshiyongzhinan。

摘要

dianchidehuaxuezuchenghewaixingchicunduozhongduoyang，yinciduiyujutiyingyong
，hennanquedingruhexuanzeheshidedianchi。benwenjiangjieshaobutongdebiaozhun
，zhizaibangzhugongchengshixuanzeshiheqishiyongchangjingdedianchi。ciwai，benwenhaijiangtaolunmuqianshichangshangchangjiandewuzhongyuandianchihuaxuezuchengjiqikenengshihedeyingyonglingyu。benwenjiangzhuyaotaolunyiliaojiankangyingyong，bingtigongcaiyongyuandianchidegezhongbutongchanpindeshiyongzhinan。

簡介

選(xuan)擇(ze)合(he)適(shi)的(de)原(yuan)電(dian)池(chi)可(ke)能(neng)需(xu)要(yao)在(zai)多(duo)個(ge)相(xiang)互(hu)衝(chong)突(tu)的(de)要(yao)求(qiu)之(zhi)間(jian)進(jin)行(xing)權(quan)衡(heng)。您(nin)希(xi)望(wang)電(dian)池(chi)容(rong)量(liang)足(zu)夠(gou)大(da)，能(neng)夠(gou)在(zai)較(jiao)長(chang)時(shi)間(jian)內(nei)為(wei)設(she)備(bei)持(chi)續(xu)供(gong)電(dian)，並(bing)且(qie)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)範(fan)圍(wei)符(fu)合(he)集(ji)成(cheng)電(dian)路(lu)供(gong)電(dian)需(xu)求(qiu)。通(tong)常(chang)，您(nin)會(hui)希(xi)望(wang)電(dian)池(chi)尺(chi)寸(cun)越(yue)小(xiao)越(yue)好(hao)
，以(yi)盡(jin)量(liang)縮(suo)小(xiao)產(chan)品(pin)的(de)整(zheng)體(ti)尺(chi)寸(cun)。此(ci)外(wai)，還(hai)需(xu)要(yao)考(kao)慮(lv)成(cheng)本(ben)、供gong貨huo情qing況kuang和he保bao質zhi期qi。作zuo為wei工gong程cheng師shi的de職zhi責ze
，我wo們men還hai必bi須xu考kao慮lv設she計ji決jue策ce對dui環huan境jing的de影ying響xiang。我wo們men為wei產chan品pin選xuan擇ze的de電dian池chi最zui終zhong可ke能neng會hui被bei丟diu進jin垃la圾ji填tian埋mai場chang
，一yi直zhi堆dui放fang在zai那na裏li很hen多duo年nian。為wei了le幫bang助zhu設she計ji人ren員yuan正zheng確que選xuan型xing，我wo們men將jiang重zhong點dian關guan注zhu常chang用yong的de堿jian性xing電dian池chi、鋰金屬電池、氧化銀電池和鋅空氣電池的化學組成，並評估它們在一次性心電圖(ECG)胸貼設計中的使用情況。

原電池與二次電池

原(yuan)電(dian)池(chi)和(he)二(er)次(ci)電(dian)池(chi)之(zhi)間(jian)的(de)主(zhu)要(yao)區(qu)別(bie)在(zai)於(yu)原(yuan)電(dian)池(chi)不(bu)可(ke)充(chong)電(dian)，而(er)二(er)次(ci)電(dian)池(chi)可(ke)以(yi)充(chong)電(dian)。原(yuan)電(dian)池(chi)中(zhong)發(fa)生(sheng)的(de)電(dian)化(hua)學(xue)反(fan)應(ying)是(shi)不(bu)可(ke)逆(ni)的(de)。一(yi)旦(dan)陽(yang)極(ji)氧(yang)化(hua)
，電(dian)池(chi)就(jiu)無(wu)法(fa)再(zai)產(chan)生(sheng)電(dian)能(neng)。而(er)在(zai)可(ke)充(chong)電(dian)電(dian)池(chi)中(zhong)
，陽(yang)極(ji)可(ke)以(yi)被(bei)脫(tuo)氧(yang)。因(yin)此(ci)
，電(dian)池(chi)可(ke)以(yi)充(chong)電(dian)並(bing)重(zhong)複(fu)使(shi)用(yong)。二(er)次(ci)電(dian)池(chi)通(tong)常(chang)比(bi)一(yi)次(ci)電(dian)池(chi)昂(ang)貴(gui)，一(yi)般(ban)不(bu)會(hui)用(yong)於(yu)一(yi)次(ci)性(xing)係(xi)統(tong)。原(yuan)電(dian)池(chi)由(you)於(yu)自(zi)放(fang)電(dian)電(dian)流(liu)較(jiao)低(di)而(er)具(ju)有(you)較(jiao)長(chang)的(de)保(bao)質(zhi)期(qi)，但(dan)是(shi)可(ke)充(chong)電(dian)的(de)二(er)次(ci)電(dian)池(chi)可(ke)以(yi)提(ti)供(gong)更(geng)多(duo)電(dian)量(liang)，尤(you)其(qi)是(shi)在(zai)大(da)電(dian)流(liu)應(ying)用(yong)中(zhong)。

不(bu)同(tong)類(lei)型(xing)電(dian)池(chi)對(dui)環(huan)境(jing)造(zao)成(cheng)影(ying)響(xiang)的(de)問(wen)題(ti)比(bi)較(jiao)複(fu)雜(za)。一(yi)方(fang)麵(mian)，二(er)次(ci)電(dian)池(chi)可(ke)重(zhong)複(fu)使(shi)用(yong)，不(bu)需(xu)要(yao)經(jing)常(chang)更(geng)換(huan)
，這(zhe)意(yi)味(wei)著(zhe)產(chan)生(sheng)的(de)廢(fei)物(wu)更(geng)少(shao)。另(ling)一(yi)方(fang)麵(mian)，二(er)次(ci)電(dian)池(chi)含(han)有(you)可(ke)能(neng)對(dui)環(huan)境(jing)有(you)害(hai)的(de)危(wei)險(xian)物(wu)質(zhi)。原(yuan)電(dian)池(chi)也(ye)含(han)有(you)危(wei)險(xian)物(wu)質(zhi)，但(dan)濃(nong)度(du)要(yao)低(di)得(de)多(duo)。在(zai)比(bi)較(jiao)這(zhe)兩(liang)種(zhong)類(lei)型(xing)的(de)電(dian)池(chi)時(shi)，單(dan)就(jiu)一(yi)塊(kuai)電(dian)池(chi)而(er)言(yan)，二(er)次(ci)電(dian)池(chi)比(bi)原(yuan)電(dian)池(chi)排(pai)放(fang)的(de)溫(wen)室(shi)氣(qi)體(ti)多(duo)，產(chan)生(sheng)的(de)危(wei)險(xian)廢(fei)物(wu)多(duo)。然(ran)而(er)，經(jing)過(guo)20次充電循環後
，二次電池產生的廢物比一次性原電池少90%，因此被認為更加環保。1

醫療應用標準

醫療應用電池必須滿足嚴格的安全和性能標準。針對醫療電氣設備的ANSI/AAMI ES 60601-1標準規定了電池必須符合的幾項監管標準
，包括針對原電池的IEC 60086-4和IEC 60086-5，以及針對家用和商用電池的UL2054。此外，還有針對不同應用的特定標準，例如針對電動牙刷的ISO 20127。2

FDA對鋰電池也有具體要求，包括必須在經過UL認(ren)證(zheng)的(de)工(gong)廠(chang)生(sheng)產(chan)，並(bing)且(qie)每(mei)塊(kuai)電(dian)池(chi)必(bi)須(xu)可(ke)溯(su)源(yuan)以(yi)便(bian)進(jin)行(xing)故(gu)障(zhang)分(fen)析(xi)。除(chu)了(le)正(zheng)確(que)選(xuan)擇(ze)電(dian)池(chi)化(hua)學(xue)組(zu)成(cheng)，還(hai)必(bi)須(xu)仔(zai)細(xi)審(shen)查(zha)電(dian)池(chi)製(zhi)造(zao)商(shang)，以(yi)確(que)保(bao)其(qi)符(fu)合(he)FDA和IEC的相關應用法規要求。2

電壓範圍

原電池通常提供兩種電壓範圍：1.5 V和3.3 V。應選用哪個電壓範圍取決於具體應用。降壓轉換器通常比升壓轉換器更高效。3電池調節器一般采用降壓-升壓轉換器，以盡可能提高電池的電壓範圍。然而，降壓-升壓轉換器通常有四個（而非兩個）開關，所以比降壓轉換器更大，並且需要更多的外部組件。

表1.原電芯比較

圖1.原電池的化學組成。

堿性

堿(jian)性(xing)電(dian)池(chi)具(ju)有(you)較(jiao)明(ming)顯(xian)的(de)優(you)勢(shi)

，例(li)如(ru)適(shi)合(he)為(wei)電(dian)視(shi)遙(yao)控(kong)器(qi)或(huo)時(shi)鍾(zhong)等(deng)模(mo)擬(ni)電(dian)路(lu)供(gong)電(dian)，是(shi)最(zui)常(chang)用(yong)的(de)一(yi)種(zhong)原(yuan)電(dian)池(chi)。與(yu)其(qi)他(ta)電(dian)池(chi)化(hua)學(xue)組(zu)成(cheng)相(xiang)比(bi)，這(zhe)些(xie)電(dian)池(chi)具(ju)有(you)較(jiao)高(gao)的(de)內(nei)阻(zu)，內(nei)阻(zu)會(hui)隨(sui)著(zhe)電(dian)池(chi)放(fang)電(dian)而(er)增(zeng)加(jia)。由(you)於(yu)這(zhe)一(yi)特(te)性(xing)，堿(jian)性(xing)電(dian)池(chi)通(tong)常(chang)不(bu)適(shi)合(he)那(na)些(xie)需(xu)要(yao)更(geng)高(gao)負(fu)載(zai)或(huo)具(ju)有(you)不(bu)同(tong)占(zhan)空(kong)比(bi)和(he)工(gong)作(zuo)模(mo)式(shi)的(de)數(shu)字(zi)電(dian)路(lu)。隨(sui)著(zhe)電(dian)池(chi)物(wu)理(li)尺(chi)寸(cun)減(jian)小(xiao)，堿(jian)性(xing)電(dian)池(chi)的(de)內(nei)阻(zu)也(ye)會(hui)增(zeng)大(da)。因(yin)此(ci)
，較(jiao)高(gao)電(dian)流(liu)應(ying)用(yong)（例如帶有大量LED和揚聲器的玩具）可能需要使用1號電池(D cell battery)
，其(qi)中(zhong)的(de)時(shi)鍾(zhong)可(ke)由(you)紐(niu)扣(kou)電(dian)池(chi)供(gong)電(dian)。一(yi)般(ban)認(ren)為(wei)堿(jian)性(xing)電(dian)池(chi)的(de)使(shi)用(yong)和(he)儲(chu)存(cun)都(dou)比(bi)較(jiao)安(an)全(quan)，幾(ji)乎(hu)不(bu)用(yong)擔(dan)心(xin)爆(bao)炸(zha)或(huo)泄(xie)漏(lou)問(wen)題(ti)
，堿(jian)性(xing)電(dian)池(chi)的(de)監(jian)管(guan)標(biao)準(zhun)與(yu)鋰(li)離(li)子(zi)電(dian)池(chi)不(bu)同(tong)。

堿(jian)性(xing)電(dian)池(chi)通(tong)常(chang)不(bu)用(yong)於(yu)醫(yi)療(liao)設(she)備(bei)

，因(yin)為(wei)與(yu)其(qi)他(ta)電(dian)池(chi)化(hua)學(xue)組(zu)成(cheng)相(xiang)比(bi)

，堿(jian)性(xing)電(dian)池(chi)的(de)功(gong)率(lv)輸(shu)出(chu)有(you)限(xian)且(qie)使(shi)用(yong)壽(shou)命(ming)短(duan)。在(zai)醫(yi)療(liao)應(ying)用(yong)中(zhong)，堿(jian)性(xing)電(dian)池(chi)可(ke)用(yong)於(yu)低(di)成(cheng)本(ben)血(xue)糖(tang)儀(yi)、溫度計和其他不常用、非關鍵功能的設備中。

圖2.鋰離子原電池：鋰-二氧化錳（Li-M或LiMnO2）和二硫化鋰(Li-FeS2)。

市(shi)場(chang)上(shang)有(you)幾(ji)種(zhong)鋰(li)基(ji)原(yuan)電(dian)池(chi)，它(ta)們(men)都(dou)將(jiang)鋰(li)用(yong)作(zuo)陽(yang)極(ji)材(cai)料(liao)，將(jiang)金(jin)屬(shu)用(yong)作(zuo)陰(yin)極(ji)。這(zhe)些(xie)電(dian)池(chi)通(tong)常(chang)稱(cheng)為(wei)鋰(li)金(jin)屬(shu)電(dian)池(chi)。使(shi)用(yong)最(zui)廣(guang)泛(fan)的(de)兩(liang)種(zhong)鋰(li)金(jin)屬(shu)原(yuan)電(dian)池(chi)是(shi)二(er)氧(yang)化(hua)鋰(li)錳(meng)(LiMnO2)和二硫化鋰(LiFeS2)。

LiMnO2電池的標稱輸出電壓為3 V
，內阻較低。非常適合需要不同負載曲線和占空比的數字應用。LiFeS2電池的標稱輸出電壓為1.5 V，內阻與LiMnO2電池類似。LiFeS2電池通常可以直接取代堿性電池，用於需要1.5 V電壓的設備。

鋰金屬電池容易泄漏和爆炸，因此需要進行特殊處理和施加運輸限製。然而，與堿性電池相比，鋰金屬電池具有許多優勢：在相似外形尺寸下
，容量是堿性電池的兩倍、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堿性電池。鋰金屬電池還用於關鍵醫療設備（如連續血糖監測儀
、輸液泵和除顫器等植入設備）。4

氧化銀電池

另一種常見的原電池是氧化銀(Ag-O)電池，它將銀用作陰極
，將鋅用作陽極。氧化銀電池具有與堿性電池相似的標稱輸出電壓（即1.55 V），danronglianggenggao，fangdianquxiangengpingtan
，yinershiheshuziyingyong。youyuyinjizhongcunzaiyin，dachicunyanghuayindianchihuifeichanganggui，yinciyanghuayindianchizhuyaoyongyuniukoudianchihuokoushidianchi。

圖3.氧化銀電池通常用作手表電池。

以yi往wang的de實shi際ji應ying用yong表biao明ming
，氧yang化hua銀yin電dian池chi容rong易yi泄xie漏lou
，因yin此ci會hui在zai電dian池chi中zhong添tian加jia汞gong來lai抵di消xiao腐fu蝕shi。近jin年nian來lai，電dian池chi製zhi造zao商shang找zhao到dao了le其qi他ta方fang法fa，在zai不bu使shi用yong汞gong的de情qing況kuang下xia也ye能neng盡jin量liang減jian少shao腐fu蝕shi，從cong而er使shi氧yang化hua銀yin電dian池chi對dui環huan境jing更geng具ju可ke持chi續xu性xing。與yu鋰li電dian池chi相xiang比bi，氧yang化hua銀yin電dian池chi通tong常chang更geng安an全quan
、運yun行xing時shi間jian更geng長chang，兩liang種zhong電dian池chi的de放fang電dian曲qu線xian相xiang似si
，但dan由you於yu氧yang化hua銀yin電dian池chi采cai用yong銀yin陰yin極ji
，導dao致zhi其qi成cheng本ben更geng高gao，因yin此ci限xian製zhi了le其qi在zai低di成cheng本ben場chang景jing中zhong的de應ying用yong。由you於yu銀yin塗tu層ceng可ke以yi降jiang低di植zhi入ru式shi設she備bei引yin起qi感gan染ran的de風feng險xian，因yin此ciAg-O電池化學材料越來越多地用於植入式設備。5

鋅空氣電池

與(yu)以(yi)前(qian)的(de)電(dian)池(chi)化(hua)學(xue)組(zu)成(cheng)相(xiang)比(bi)，鋅(xin)空(kong)氣(qi)電(dian)池(chi)具(ju)有(you)獨(du)特(te)的(de)電(dian)池(chi)化(hua)學(xue)組(zu)成(cheng)。鋅(xin)空(kong)氣(qi)電(dian)池(chi)采(cai)用(yong)鋅(xin)陽(yang)極(ji)
，周(zhou)圍(wei)空(kong)氣(qi)是(shi)陰(yin)極(ji)
，中(zhong)間(jian)有(you)電(dian)解(jie)膏(gao)。該(gai)電(dian)池(chi)采(cai)用(yong)典(dian)型(xing)的(de)紐(niu)扣(kou)電(dian)池(chi)形(xing)狀(zhuang)
，外(wai)殼(ke)上(shang)有(you)一(yi)個(ge)開(kai)口(kou)

，可(ke)讓(rang)空(kong)氣(qi)進(jin)入(ru)。在(zai)電(dian)池(chi)使(shi)用(yong)之(zhi)前(qian)
，開(kai)口(kou)是(shi)密(mi)封(feng)的(de)
，這(zhe)樣(yang)可(ke)防(fang)止(zhi)空(kong)氣(qi)進(jin)入(ru)電(dian)池(chi)。一(yi)旦(dan)密(mi)封(feng)破(po)損(sun)
，氧(yang)氣(qi)就(jiu)會(hui)從(cong)陰(yin)極(ji)進(jin)入(ru)，電(dian)子(zi)開(kai)始(shi)從(cong)鋅(xin)陽(yang)極(ji)流(liu)過(guo)電(dian)解(jie)膏(gao)，到(dao)達(da)陰(yin)極(ji)。由(you)於(yu)鋅(xin)空(kong)氣(qi)電(dian)池(chi)的(de)陰(yin)極(ji)不(bu)是(shi)金(jin)屬(shu)（其他電池的化學組成），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0.9 V至1.4 V。

圖4.助聽器通常由鋅空氣電池供電。

youyuxinkongqidianchibixubaoluzaihuanjingzhongcainenggongzuo

，yinciqizaiyiliaoshebeizhongdeshiyongshoudaoxianzhi。xuduoyiliaoshebeiyaoqiuzaiyidingchengdushangyuhuanjinggeli，erxinkongqidianchibuyunxuzheyangzuo。youyuzhexiedianchigouzaoqingqiaoqieshiyongshoumingchang，yincizhuyaoyongyuzhutingqidianchi。

應用示例

shangmianwomengaishulemuqianchangjiandedianchihuaxuezuchengjiqiketigongdegongneng
，xianzaiwomentongguoyingyongshilizhuyijieshao。zaibenlizhong，womenkaolvyigeyuqiyunxingshijianwei5天的ECG胸貼。這個可穿戴貼片設計為一次性、完全密封（無法更換電池）、防水，並具有藍牙®通信功能，可通過無線方式傳輸ECG數據。該貼片還將包括一個MAX30208溫度傳感器（用於記錄患者體溫）和一個ADXL367加速度計（用於監測患者活動信息）。它可以在醫院環境、門診診所和患者家中使用。在本應用中，我們將MAX30001用作ECG模擬前端(AFE)，將MAX32655用作微控製器單元(MCU)。將根據電池來選擇電源管理方案。

圖5.ECG貼片示例方框圖。

根gen據ju這zhe些xie要yao求qiu
，我wo們men可ke以yi決jue定ding應ying使shi用yong哪na種zhong電dian池chi。可ke穿chuan戴dai產chan品pin設she計ji緊jin湊cou，這zhe意yi味wei著zhe電dian池chi的de外wai形xing尺chi寸cun應ying當dang小xiao巧qiao輕qing便bian
，因yin此ci應ying使shi用yong紐niu扣kou電dian池chi。首shou先xian可ke以yi排pai除chu二er硫liu化hua鋰li電dian池chi，因yin為wei紐niu扣kou電dian池chi不bu會hui采cai用yong這zhe種zhong類lei型xing。由you於yu貼tie片pian是shi一yi次ci性xing的de
，所suo以yi不bu能neng使shi用yong二er次ci電dian池chi或huo可ke充chong電dian電dian池chi。此ci外wai電dian池chi是shi完wan全quan密mi封feng的de
，因yin此ci無wu法fa選xuan用yong鋅xin空kong氣qi電dian池chi。還hai要yao支zhi持chi藍lan牙ya通tong信xin，而er且qieMAX32655具有不同的工作模式
，根據這些要求，堿性電池由於內阻高，顯然無法支持此應用。我們隻能選擇鋰錳和氧化銀原電池化學組成。

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比能量。我們可以輕鬆地用容量為235 mAh的（氧化銀）CR2032電池供電。氧化銀電池的標稱輸出電壓為1.55 V，我們能找到的
、現有最大的紐扣電池是容量為200 mAh的SR44W電池。我們再來看一下設計要求
，貼片需要運行5天時間。通過構建負載曲線（在上一篇文章中進行了更深入的討論6），我們發現該貼片每天預計消耗45 mA的電流
，或者在5天內消耗225 mA的電流。對更高容量電池的要求削弱了氧化銀紐扣電池的競爭優勢
，因此針對此應用我們將選擇鋰錳電池。

結論

針對具體應用選擇電池時需要認真考慮外形尺寸、適配性和功能。通過了解每種電池化學組成的優缺點
，可以合理選擇適合係統設計要求的電池。

參考文獻

1 Giovanni Dolci
、Camilla Tua

、Mario Grosso 和 Lucia Rigamonti。“能耗產品的生命周期評估：家用一次性電池和可充電電池的比較。”《國際生命周期評估雜誌》，2016年第21卷。

2 Jeff Shepard。“工業鋰電池和醫用鋰電池有何不同
？”電池電源提示，2023年。

3“使用SIMO延長智能手表的使用壽命。”ADI公司
，2019年。

4 David C Bock、Amy Marschilok、Kenneth J. Takeuchi、Esther S. Takeuchi。“用於為植入式生物醫學設備供電的電池。”《電化學學報》，2012年第84卷。

5 J. M. Schierholz、L. J. Lucas、A. Rump 和 G. Pulverer。“鍍銀醫療器械的功效。”《醫院感染雜誌》，1998年第40卷。

6 Fahad Masood。“由原電池供電的遠程患者監護儀的電源設計要素。”ADI公司
，2022年4月。

（來源：ADI公司，作者:Fahad Masood,高級應用工程師）

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