醫(yī)用電子設(shè)備傳統(tǒng)電池升級為鋰離子電池的可行性研究

王蘇湘，彭馭風(fēng)，趙有璠

醫(yī)用電子設(shè)備傳統(tǒng)電池升級為鋰離子電池的可行性研究

王蘇湘，彭馭風(fēng)，趙有璠

目的：研究在醫(yī)療設(shè)備中用鋰離子電池替換鉛酸電池的可行性。方法：從能量密度、電壓、儲(chǔ)存性能、倍率特性、循環(huán)壽命、充電方式差異、安全電路、耐高溫性能、加工性能等方面進(jìn)行研究。結(jié)果：鋰離子電池各方面性能均優(yōu)于鉛酸電池，并且環(huán)保無污染。結(jié)論：在醫(yī)療設(shè)備中應(yīng)用鋰離子電池可以達(dá)到降低成本，提高設(shè)備性能的目的。

醫(yī)療設(shè)備；鋰離子電池；鉛酸電池

0 引言

在醫(yī)療設(shè)備系統(tǒng)中，穩(wěn)定可靠的電源至關(guān)重要。為了保證有一個(gè)不間斷的電源，往往配備一個(gè)備用電池。較大的醫(yī)療設(shè)備一般都是使用鉛酸電池來提供不間斷的電源，但是鉛酸電池需要配備昂貴且復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，因此使醫(yī)療設(shè)備系統(tǒng)的體積變大、變得笨重而且價(jià)格昂貴。如今的電子產(chǎn)品以及其相關(guān)行業(yè)對電子產(chǎn)品的移動(dòng)性要求越來越高，醫(yī)療電子設(shè)備由于其使用目的的特殊性，對移動(dòng)或便攜性的要求更為突出。

新的鋰離子電池與其他傳統(tǒng)電池技術(shù)相比，有著能量密度高、質(zhì)量小、循環(huán)壽命長、電池容量保持特性更好、電壓高、成本低、適用溫度范圍更廣等特點(diǎn)，而且對環(huán)境更加友好。鋰離子電池是指2種不同的可以可逆脫出和嵌入鋰離子的化合物分別作為電池的正極和負(fù)極的二次電池體系[1]，其充放電原理（以石墨負(fù)極、LiCoO2正極為例）如圖1所示[2-3]。

鋰離子電池的化學(xué)表達(dá)式為：

圖1 鋰離子電池的充放電原理示意圖

如圖1所示，Li+和Co3+各自位于立方緊密堆積氧化層中交替的八面體位置。在充電過程中，Li+從正極脫出，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入到負(fù)極，負(fù)極處于富鋰狀態(tài)，正極處于貧鋰狀態(tài)。鋰離子從八面體位置發(fā)生脫嵌而釋放出一個(gè)電子將Co3+氧化為Co4+，以保持電荷平衡；在放電過程中，Li+從負(fù)極脫出，經(jīng)過電解液嵌入到正極材料中，正極處于富鋰狀態(tài)。鋰離子嵌入到八面體位置，石墨結(jié)構(gòu)同時(shí)得到一個(gè)電子。

因?yàn)殇囋谡龢O和負(fù)極之間來回?cái)[動(dòng)，在“鋰離子電池”命名以前被形象地稱為“搖椅電池”（rocking chair batteries）[4]。鋰金屬是金屬中最輕的元素，標(biāo)準(zhǔn)電極電位為-3.045 V，元素周期表中是電極電勢最負(fù)的單質(zhì)，其電池的工作電壓可以高達(dá)3.6 V，是Ni/ Cd和Ni/MH電池的3倍，因此鋰離子電池是一種理想的綠色二次電池[5]。

使用鋰離子電池可以使電子醫(yī)療產(chǎn)品具有更好的便攜移動(dòng)性、更長的續(xù)航能力和穩(wěn)定性，這對及時(shí)地救治傷病患者是非常重要的。因此，推廣鋰離子電池應(yīng)用于醫(yī)療產(chǎn)品中具有重要的意義。出于醫(yī)療設(shè)備產(chǎn)品中對電源設(shè)計(jì)可靠性、安全性的嚴(yán)格要求，本文對比了鋰離子電池和其他傳統(tǒng)化學(xué)電池的特性和容量，就鋰離子電池應(yīng)用到醫(yī)療設(shè)備電源系統(tǒng)進(jìn)行分析。

1 能量密度和電壓

如前所述，鋰離子電池最主要的優(yōu)勢有：

（1）鋰離子電池的工作電壓高達(dá)3．6 V（鎳氫和鉛酸電池的工作電壓均為1．2 V），一節(jié)鋰離子電池的工作電壓可以達(dá)到其他電池三節(jié)串聯(lián)的效果，大大減少了因串聯(lián)而造成的能量損失和電池性質(zhì)不一致造成的各種問題。

（2）能量密度高。相同體積和質(zhì)量的鋰離子電池可儲(chǔ)存和釋放比其他充電電池更多的能量。鋰離子電池的比能量超過180 Wh/kg，而聚合物鋰離子電池更是擁有超過200 Wh/kg的比能量。而鉛酸電池（SLA）只有約40 Wh/kg質(zhì)量能量密度，鎳氫化合物電池（Ni/MH）只有約80 Wh/kg的質(zhì)量能量密度[6]。在電子醫(yī)療儀器的設(shè)計(jì)中，使用的電池能量密度越高，其產(chǎn)品的體積越小，這意味著在新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，工程師可以利用其節(jié)省出來的多余空間，在產(chǎn)品體積不變的條件下設(shè)計(jì)更多的功能。

深圳斯盛能源股份有限公司與勝克斯電子有限公司電學(xué)、材料學(xué)實(shí)驗(yàn)室對使用鋰離子電池組替換某電子醫(yī)療設(shè)備中的鉛酸蓄電池組的可行性進(jìn)行了研究。使用容量為2 300 mAh的鉛酸蓄電池，在該電子醫(yī)療設(shè)備上以12 V的工作電壓放電110 min后，由于設(shè)備上鉛酸蓄電池本身自帶動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的原因停止工作；而使用3個(gè)容量為4 400 mAh的鋰離子電池串聯(lián)的電池組，在同一臺(tái)設(shè)備上放電120 min后的電壓為11 V。鑒于鋰離子電池的工作平臺(tái)較穩(wěn)定，在移除動(dòng)態(tài)系統(tǒng)之后以鋰離子電池替代鉛酸電池是可行的。

2 儲(chǔ)存性能

充電電池儲(chǔ)存的時(shí)間越長，其損失的能量越多，這種現(xiàn)象被稱為自放電。其損失的大部分能量在儲(chǔ)存得當(dāng)?shù)臈l件下仍可恢復(fù)。儲(chǔ)存充電電池的最佳溫度一般為室溫（25°C或更低）以下。鉛酸電池在低溫條件下儲(chǔ)存時(shí)，必須充電至接近其容量電量，以保持最佳性能。密封的鉛酸電池在25°C下放置6個(gè)月后一般損失的電容量約為20%，在40°C放置6個(gè)月后損失的容量增加到30%左右。Ni/Cd和Ni/MH電池在25°C條件下，一個(gè)月的容量損失率約為20%，隨后自放電率的增速顯著減慢。

而鋰離子電池以充電其容量的30%～50%儲(chǔ)存，即可獲得最佳循環(huán)壽命，并且在25°C條件儲(chǔ)存6個(gè)月后所損失的容量僅為10%。因此，從儲(chǔ)存性能來說，鋰離子電池有著極佳的穩(wěn)定性，更適用于各種電子醫(yī)療設(shè)備。

3 倍率特性

選擇材料時(shí)，應(yīng)考慮到其終端裝置的電流和最大放電率。電池或電池組在高倍率放電的情況下會(huì)造成電壓下降，如果設(shè)計(jì)時(shí)沒有考慮到這方面的因素，終端裝置可能會(huì)由于電壓不足而關(guān)閉。高倍率的Ni/Cd或Ni/MH電池的連續(xù)放電率可達(dá)2C（電池額定容量的2倍）甚至更高，鉛酸電池的連續(xù)放電率可以達(dá)到3C以上。普通的鋰離子電池的連續(xù)放電率僅為1C，但是目前新技術(shù)的鋰電池（例如磷酸鐵鋰電池），其連續(xù)放電率（倍率及連續(xù)放電時(shí)間）可以達(dá)到10C左右，在與Ni/Cd、Ni/MH、鉛酸電池的競爭中具有很大的優(yōu)勢。

4 循環(huán)壽命

電池的循環(huán)壽命是指電池容量下降到其原始容量的某一規(guī)定百分比之前電池所經(jīng)歷的充放電循環(huán)次數(shù)。鉛酸電池的循環(huán)壽命約為250～500次，具體次數(shù)取決于制造商的產(chǎn)品質(zhì)量和放電深度（放電容量最多至額定容量的60%）。不管使用何種化學(xué)物質(zhì)，電池放電深度越深，用戶可使用的循環(huán)次數(shù)就越少。而鋰離子電池循環(huán)壽命遠(yuǎn)超過500次，其容量僅下降為額定容量的80%，在這方面遠(yuǎn)超鉛酸電池。

5 充電差異

鉛酸電池一般采用恒壓充電，其充電效率不高，通常需要充電14～16 h才能達(dá)到滿電狀態(tài)。而鋰離子電池通常以1C的倍率充電60～75 min即可從低能狀態(tài)達(dá)到總?cè)萘康?0%～90%[7]。至于其他種類電池，除了某些可以采用高電流充電的電池外，充電至80%～90%額定容量需要的時(shí)間更長[8]。因此，鋰離子電池的充電方式有2個(gè)優(yōu)點(diǎn)：（1）可以在極短的時(shí)間內(nèi)獲得接近滿充的電量，不會(huì)因?yàn)槌潆姸⒄`醫(yī)療設(shè)備的使用。（2）充電完成后的實(shí)際電壓絕不會(huì)超過4．2 V。

由于工作要求，大部分醫(yī)療設(shè)備的電池需要隨時(shí)保持充電可用狀態(tài)，但是鋰離子電池的化學(xué)性質(zhì)決定其不適合涓流充電和恒流浮充充電，因此在觸發(fā)電池再次充電前需要確保電池放電超過20%。這樣可以在不損害電池容量以及不影響醫(yī)療設(shè)備的前提下，降低鋰離子電池過充電的可能性。

6 安全電路

一個(gè)優(yōu)秀的充電電池設(shè)計(jì)，應(yīng)該包括有一整套的安全設(shè)計(jì)，例如Ni/Cd電池組帶有某種電流分?jǐn)鄦卧苑乐拱l(fā)生嚴(yán)重故障；Ni/MH電池的發(fā)熱量較大，因此，為防止過度充電，電池中需設(shè)計(jì)熱感應(yīng)單元安全裝置以及電流分?jǐn)鄦卧?。醫(yī)療設(shè)備中設(shè)置的鉛酸電池帶有正負(fù)2個(gè)金屬電極，應(yīng)注意避免碰撞短路。因電路故障造成的過負(fù)載，生產(chǎn)廠家的工程師們應(yīng)在電池內(nèi)部或周邊設(shè)置保險(xiǎn)器件。

鋰離子電池對過充電十分敏感，在過充電情況下，鋰離子電池兩端電壓過高會(huì)造成電池燃燒甚至爆裂的問題。因此，鋰離子電池中也應(yīng)使用安全裝置，使充放電過程中電池電壓保持在特定的范圍內(nèi)。通?？梢圆捎脤Ｓ眉蒊C或者熱敏電阻對鋰離子電池組進(jìn)行保護(hù)。圖2為便攜式計(jì)算機(jī)內(nèi)部鋰離子電池組及保護(hù)板示意圖。

圖2 鋰離子電池組電子安全裝置示意圖

相對于鉛酸電池昂貴復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，鋰離子電池安全保護(hù)裝置體積小、結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉。所以即便是鋰離子電池組需要設(shè)計(jì)安全電路，其仍然可以縮小電池組體積，減輕其質(zhì)量，并能釋放更多的能量。

7 耐高溫性

鋰離子電池在40～45℃的較高溫度下，性能優(yōu)于其他電池。SLA和Ni/MH電池在高熱量環(huán)境下無法正常工作，這成為其在急救工具中使用的一個(gè)限制因素。

8 加工性能

鋰離子電池有著優(yōu)良的加工性能，可以加工成不同大小、不同形狀的電池。相對于鉛酸蓄電池方方正正的大塊頭形狀而言，鋰離子電池的類型多種多樣，按照外形可以分為紐扣式、方形和圓柱形3種，如圖3所示[9]。

因此，鋰離子電池可以適應(yīng)于不同大小的電子醫(yī)療設(shè)備，例如呼吸機(jī)、麻醉機(jī)、監(jiān)護(hù)儀、小型心臟起搏器、便攜式血壓測量儀等，這是鉛酸蓄電池所不具有的優(yōu)勢。

9 結(jié)語

圖3 鋰離子電池形式

在為醫(yī)療設(shè)備選擇最佳電源方案時(shí)，必須對其總成本和整體性能進(jìn)行評估。鋰離子技術(shù)的高電壓特性可以減少電池的使用量，因此可降低電池組的成本，使之與使用鎳技術(shù)的電池大致相當(dāng)。此外，鋰離子電池的成本還因供應(yīng)商不斷使用新材料而持續(xù)降低[10]。再加上鋰離子電池?fù)碛畜w積小、質(zhì)量輕、能量高、循環(huán)壽命長、耐久性及耐熱性好、綠色環(huán)保等顯著的優(yōu)勢，醫(yī)療電子產(chǎn)品制造商在醫(yī)療設(shè)備生產(chǎn)過程中應(yīng)充分加以利用，以達(dá)到降低成本、提高設(shè)備性能的目的。

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（收稿：2013-05-14 修回：2013-12-11）

衛(wèi)生裝備研究所“亮劍”演練場

近日，西藏自治區(qū)衛(wèi)計(jì)委和區(qū)疾控中心在拉薩達(dá)孜縣德慶鎮(zhèn)聯(lián)合舉行突發(fā)性傳染病防控應(yīng)急演練。由軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院衛(wèi)生裝備研究所崔向東高級工程師等3名專家組成的專家組應(yīng)邀參加,并進(jìn)行現(xiàn)場指導(dǎo)。

此次演練無既定方案，完全是在模擬應(yīng)急背景下的實(shí)戰(zhàn)演習(xí)，旨在提高自治區(qū)國家突發(fā)性傳染病防控隊(duì)?wèi)?yīng)急處突能力。演練使用的突發(fā)性傳染病防控裝備由軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院衛(wèi)生裝備研究所機(jī)動(dòng)醫(yī)療平臺(tái)技術(shù)與裝備研究室研制，該裝備系統(tǒng)采用車載化技術(shù)形式，由應(yīng)急指揮車、采樣車、生物安全檢驗(yàn)車、衛(wèi)生防疫車等9輛車及宿營帳篷和隊(duì)員個(gè)人攜行裝備組成，具有快速機(jī)動(dòng)、合理配置、系列化標(biāo)準(zhǔn)化程度高、自我保障齊全等特點(diǎn)。演習(xí)過程中，專家組成員不辭辛苦，克服高原反應(yīng)、天氣炎熱等重重困難全程跟蹤指導(dǎo)，并就裝備操作中遇到的重點(diǎn)難點(diǎn)問題向隊(duì)員們耐心講解。此次演練突出“實(shí)戰(zhàn)”二字，整個(gè)過程流暢自然，應(yīng)對處置規(guī)范有序，達(dá)到了磨合機(jī)制、鍛煉隊(duì)伍、檢查檢驗(yàn)的預(yù)期目的，不僅展示出該裝備系統(tǒng)在高原環(huán)境下作業(yè)的優(yōu)越性能，還提高了隊(duì)員們操作裝備的熟練程度，進(jìn)一步促進(jìn)了人機(jī)結(jié)合。

西藏自治區(qū)衛(wèi)計(jì)委副主任白建斌在觀摩演習(xí)時(shí)說，這是該裝備首次以實(shí)戰(zhàn)為背景的野外應(yīng)急演練，充分展現(xiàn)出其實(shí)用便捷、機(jī)動(dòng)靈活、快速高效等特點(diǎn),將大幅提高自治區(qū)在重大疫情和突發(fā)公共衛(wèi)生事件等緊急情況下的指揮調(diào)度、快速反應(yīng)和應(yīng)急處置的實(shí)戰(zhàn)能力。目前該裝備系統(tǒng)已獲評“拉薩市科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)”。

（王晨光 供稿）

Replacing lead-acid battery with lithium ion battery in medical electrical device

WANG Su-xiang1,PENG Yu-feng2,ZHAO You-fan3
（1.Equipment Department,the First Affiliated Hospital of Changde Vocational Technical College,Changde 415000, Hunan Province,China;2.Battery Routine Test Laboratory,Shenzhen Season Power Technology Stock Co.,Ltd, Shenzhen 518000,Guangdong Province,China;3.Materials Science Laboratory,Shenzhen SKS Electronics Co.,Ltd,Shenzhen 518000,Guangdong Province,China）

ObjectiveTo study the feasibility to replace lead-acid battery with lithium ion battery in medical electrical devices.MethodsThe research was performed from the aspects of energy density,voltage,storage performance,rate capability,cycle life,charging way,safety circuit,high temperature resistance,processability and etc.ResultsLithium ion battery behaved better than the lead-acid one,with high performances in environment protection.ConclusionThe involvement of lithium ion battery in the medical electrical devices may decrease the cost and increase the performances.[Chinese Medical Equipment Journal，2014，35（9）：46-48]

medical equipment;lithium ion battery;lead-acid battery

R318.6；R197.39

A

1003-8868（2014）09-0046-03

10.7687/J.ISSN1003-8868.2014.09.046

常德市指導(dǎo)性科技計(jì)劃項(xiàng)目（2011ZDZ1）

王蘇湘（1959—），男，工程師，主要從事醫(yī)療設(shè)備維修技術(shù)、醫(yī)學(xué)計(jì)量管理及質(zhì)量控制方面的研究工作，E-mail：suxiang@xinhuanet.com。

415000湖南常德，常德職業(yè)技術(shù)學(xué)院附屬第一醫(yī)院設(shè)備科（王蘇湘）；518000廣東深圳，深圳市斯盛能源股份有限公司電池例行試驗(yàn)室（彭馭風(fēng)）；518000廣東深圳，深圳市勝克斯電子有限公司材料學(xué)試驗(yàn)室（趙有璠）