【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guo20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heFDA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），但(dan)容(rong)量(liang)更(geng)高(gao)，放(fang)電(dian)曲(qu)線(xian)更(geng)平(ping)坦(tan)，因(yin)而(er)適(shi)合(he)數(shu)字(zi)應(ying)用(yong)。由(you)於(yu)陰(yin)極(ji)中(zhong)存(cun)在(zai)銀(yin)，大(da)尺(chi)寸(cun)氧(yang)化(hua)銀(yin)電(dian)池(chi)會(hui)非(fei)常(chang)昂(ang)貴(gui)，因(yin)此(ci)氧(yang)化(hua)銀(yin)電(dian)池(chi)主(zhu)要(yao)用(yong)於(yu)紐(niu)扣(kou)電(dian)池(chi)或(huo)扣(kou)式(shi)電(dian)池(chi)。

圖3.氧化銀電池通常用作手表電池。

yiwangdeshijiyingyongbiaoming
，yanghuayindianchirongyixielou，yincihuizaidianchizhongtianjiagonglaidixiaofushi。jinnianlai
，dianchizhizaoshangzhaodaoleqitafangfa
，zaibushiyonggongdeqingkuangxiayenengjinliangjianshaofushi，congershiyanghuayindianchiduihuanjinggengjukechixuxing。yulidianchixiangbi，yanghuayindianchitongchanggenganquan、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。

由you於yu鋅xin空kong氣qi電dian池chi必bi須xu暴bao露lu在zai環huan境jing中zhong才cai能neng工gong作zuo，因yin此ci其qi在zai醫yi療liao設she備bei中zhong的de使shi用yong受shou到dao限xian製zhi。許xu多duo醫yi療liao設she備bei要yao求qiu在zai一yi定ding程cheng度du上shang與yu環huan境jing隔ge離li，而er鋅xin空kong氣qi電dian池chi不bu允yun許xu這zhe樣yang做zuo。由you於yu這zhe些xie電dian池chi構gou造zao輕qing巧qiao且qie使shi用yong壽shou命ming長chang，因yin此ci主zhu要yao用yong於yu助zhu聽ting器qi電dian池chi。

應用示例

上(shang)麵(mian)我(wo)們(men)概(gai)述(shu)了(le)目(mu)前(qian)常(chang)見(jian)的(de)電(dian)池(chi)化(hua)學(xue)組(zu)成(cheng)及(ji)其(qi)可(ke)提(ti)供(gong)的(de)功(gong)能(neng)，現(xian)在(zai)我(wo)們(men)通(tong)過(guo)應(ying)用(yong)示(shi)例(li)逐(zhu)一(yi)介(jie)紹(shao)。在(zai)本(ben)例(li)中(zhong)，我(wo)們(men)考(kao)慮(lv)一(yi)個(ge)預(yu)期(qi)運(yun)行(xing)時(shi)間(jian)為(wei)5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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