電池壽命是當(dāng)今許多應(yīng)用中的重要因素。關(guān)于可植入的醫(yī)療設(shè)備，患者要確信電池會(huì)在要重新充電之間給它們較長(zhǎng)的時(shí)間，即充電間隔。

幾乎同等重要的是，電池的可用容量以及兩次充電之間的時(shí)間將在其使用壽命內(nèi)逐漸減少，這決定了電池要更換多少年。這決定了電池的壽命以及可以使用多少個(gè)有用的充電/放電循環(huán)。選擇電池時(shí)，長(zhǎng)壽可能是一個(gè)關(guān)鍵的購(gòu)買標(biāo)準(zhǔn)-一旦電池達(dá)到其使用壽命，將要更換電池，這將涉及在植入式設(shè)備中的某種外科手術(shù)。

介紹

通常，在要充電之前，可以將電池的使用時(shí)間減少20％，這被認(rèn)為是容量減少的一個(gè)問(wèn)題。結(jié)果，可再充電電池的使用壽命通常被含義為在容量下降到其原始值的80％之前的充放電循環(huán)次數(shù)。

關(guān)于醫(yī)療設(shè)備的設(shè)計(jì)人員而言，重要的一點(diǎn)是，他們必須獲得有關(guān)市場(chǎng)上可用的各種可充電電池的準(zhǔn)確信息。他們要確信，當(dāng)他們查看不同制造商的電池時(shí)，它們正在比較相同的參數(shù)，并且數(shù)據(jù)表上的數(shù)字反映在現(xiàn)實(shí)生活中的行為上。

在本文中，我們將研究設(shè)計(jì)師如何確保他們獲得正確的信息，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行決策。我們將回顧什么因素會(huì)影響鋰離子電池的使用壽命，這些因素尤其重要，因?yàn)殇囯x子電池比其他技術(shù)更容易發(fā)生變化，并且其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

關(guān)于任何可充電電池，用戶要多長(zhǎng)時(shí)間找到一個(gè)充電點(diǎn)取決于多個(gè)因素。

首先，有環(huán)境因素，例如溫度和振動(dòng)。環(huán)境因素對(duì)電池壽命有很大的影響，在25°C左右的溫度下（鋰離子電池通常認(rèn)為的）退化最小。這也意味著熱管理在某些應(yīng)用（例如電動(dòng)汽車）中可能很重要，以確保通過(guò)充電或放電出現(xiàn)的熱量不會(huì)使電池溫度過(guò)高。

但是關(guān)于植入式醫(yī)療設(shè)備中的電池，這些因素通常不會(huì)出現(xiàn)重大影響。這是因?yàn)獒t(yī)療設(shè)備在植入后會(huì)保持在大約37°C的恒定溫度下，沖擊或振動(dòng)很小。

關(guān)于醫(yī)療設(shè)備，對(duì)充電間隔的重要影響在于所謂的“操作因素”。其中包括充電和放電的速率以及電池充放電到的全部容量的百分比。存儲(chǔ)也很重要-在將電池安裝到設(shè)備中并投入使用后，長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)會(huì)保留多少百分比的電量會(huì)影響其行為。

充電電壓是關(guān)鍵

在鋰離子電池中，正極和負(fù)極之間的電位差隨著電池的充電而新增，并且能量進(jìn)入電池。隨著使用中電池的放電，它會(huì)減少，并消耗能量。

這意味著可以在端子之間測(cè)量的電壓是電池充滿電的可靠指示，因此可以在其中剩余多少能量。例如，通過(guò)這種電壓測(cè)量，您的智能手機(jī)或筆記本電腦可以確定電池剩余電量的百分比，然后據(jù)此估算電池耗盡所有電量之前要花費(fèi)的時(shí)間。

關(guān)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約4.1V的最大值，并使其放電至2.7V的低點(diǎn)。停止充電的最大電壓稱為充電終止電壓（EoCV）電平。

但是，假如我們更改這些參數(shù)會(huì)怎么樣？相反，假如僅將電池放電至高于2.7V的最低電壓，則它將僅放電掉部分電量。例如，假如我們?cè)谶_(dá)到3V電壓時(shí)停止將電池耗盡，則可能意味著電池僅放電至其容量的40％或50％。

這個(gè)低壓點(diǎn)含義了所謂的放電深度（DoD）。因此，將電池完全放電視為100％DoD，而我們可以用較小的DoD百分比來(lái)測(cè)量壽命。可能會(huì)影響使用壽命的另一項(xiàng)變化是將上限電壓端點(diǎn)從4.1V降低至較低值。

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，使電解質(zhì)降解或在陽(yáng)極上沉積不溶性化合物，從而降低了其效率。

這些電壓變化在實(shí)踐中出現(xiàn)了令人驚訝的巨大差異。假如我們稍微改變電壓的上限和下限，則電池壽命中的充放電循環(huán)次數(shù)只能減少到以前的20％，甚至更少。

盡管在這里我們僅討論電荷和電壓的微小變化，但切記要記住可充電電池可能最終在現(xiàn)場(chǎng)完全放電。例如，患者可能只是忘記在正確的時(shí)間為電池充電，從而使其電壓下降得過(guò)低，或者可能將電池存放了較長(zhǎng)的時(shí)間。

與我們剛剛討論的壽命變化相比，這是一個(gè)不同的問(wèn)題，但是關(guān)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(guò)其Zero-Volt?技術(shù)解決了這個(gè)問(wèn)題，該技術(shù)可確保即使在電池放電至零伏后（圖1和2），電池仍可以在峰值容量下運(yùn)行。

圖1：可用電池容量

圖2：Quallion電池

測(cè)試結(jié)果

當(dāng)我們測(cè)試了自己的Quallion®電池時(shí)，我們展示了出色的低容量衰減性能，同時(shí)在放電深度（DoD）值為100％（低至20％）的情況下循環(huán)電池。由此，即使經(jīng)過(guò)多次充放電循環(huán)，電池容量的損失也降至最低。

通過(guò)降低充電終止電壓（EoCV），甚至可以在電循環(huán)期間進(jìn)一步改善容量衰減性能。將EoCV從最大建議值4.1V修改為較低的4.0V值將新增電池的可用容量。

當(dāng)我們查看100％DoD（這是醫(yī)療應(yīng)用中的常見用例）時(shí)，我們會(huì)在達(dá)到初始保留容量的80％時(shí)檢查電池的循環(huán)壽命。大多數(shù)醫(yī)療應(yīng)用指定此工作循環(huán)壽命值，并且所需的值會(huì)隨醫(yī)療設(shè)備的預(yù)期用途而變化。

通常，醫(yī)療應(yīng)用要電池在100％DoD循環(huán)條件下滿足500至1,000個(gè)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)以80％或更高的保留容量超過(guò)了這些循環(huán)要求。

結(jié)論

即使工作條件中的很小差異（例如充電和放電電壓）也可能對(duì)電池壽命或使用壽命出現(xiàn)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。