锂离子电池为便携式医疗设备供能的优势

一种能量密度更高的技术可以释放比其它同类产品更多的能量，且体积更小。

消费电子产品以及许多其他行业都越来越讲究产品的移动性，医疗器械制造商也不例外，这样的趋势提高了现场救助设备、监控设备和固定医疗设备的性能，进而推动了医疗保健行业的发展。不过除了便携性以外，医疗器械制造商当然还希望能够制造出可靠性高的器械，因为人们的生命往往命悬一线。手机坏了固然是恼人的事，但如果便携式心脏监控仪或者输液泵由于电池耗尽而停止运作，终端用户——及病人——面临的问题则严重得多。

几年前，医疗专业人员还无法将救助生命的设备带到现场；因为那时便携式仪器的技术尚未成熟。但如今，大量的监控仪器、超声设备和输液泵可在远离医院的场所使用——甚至战场。便携式设备的移动越来越方便。正是由于诸如锂离子电池等技术的应用，重达50磅的笨重除颤器才可以被更轻便、更紧凑的用户友好型装置取代，也不会造成医护人员肌肉的拉伤。

病人的移动性也变得越来越重要。如今的病人可能会从放射科转移到重症监护病房，从救护车转移到急救室，或用救护车从一家医院转移到另一家医院。同样地，便携式家用仪器和移动式监控设备的普及，使病人可以待在喜欢的地方，而并不一定要留在医疗机构中。便携式医疗器械必须真正实现完全意义上的便携，为病人提供最佳服务。

对更小型、更轻便的医疗器械的需求也因此显著增加，这大大激发了人们对更高能量密度、更小巧的电池组的兴趣。笔记本电脑和手机使用的锂离子电池技术已经有了许多突破，医疗设备设计工程师可以对此加以创新利用。

与其它传统技术相比，锂离子电池在便携式医疗设备的应用中具有很多优势。这包括能量密度更高、重量更轻、循环寿命更长、电池容量保持特性更好，以及适用温度范围更广。

由于化学性质独特，锂离子技术对设计方面的限制与先前的电池技术如镍氢化合物(NiMH)、镍镉(NiCd)和密封铅酸(SLA)不同。同时，医疗设备在某些方面比消费电子产品有更严格的操作要求；由于可靠性非常重要，因此需要有功能强大的电池组，带有精确电量监测且可靠的电池。

本文结合医疗器械的要求及锂离子技术的特性，概述了便携式电源系统设计的注意事项。并比较了锂离子电池和其它化学电池的特性和容量。

1 能量密度和电压



图1. 锂离子的能量密度远高于镍化合物。

锂离子电池技术的主要优势在于其能量密度的显著提高。相同体积和重量时，锂离子电池可储存和释放的能量比其它充电电池更高。能量密度以体积和质量两种方式测量。锂离子技术现可以提供近500Wh/L的体积能量密度和200Wh/kg的质量能量密度(见图1)。

与其它技术相比，锂离子可以释放更多的能量，而且体积更小，质量更轻。锂离子电池的工作电压比其它充电电池更高，通常约为3.7V，而NiCd或NiMH电池为1.2V 。这意味着需要使用多节其它电池时，仅需一节锂离子电池即可满足使用要求。便携式仪器设计中使用的电池能量密度越高，其产品的体积越小，便携性也越好。电池组体积的缩小表示工程师可以利用多余空间，在同一产品中增添更多新功能(见图2)。

2 自放电



图2. 锂离子电池有圆柱形和棱柱形两种形状，可制成不同尺寸和容量的电池。

充电电池的容量会不断损失。该现象即称为自放电。但若储存得当，其损失的大部分容量仍可恢复。

所有电池均应在室温（25°C 或更低）下储存，以保持最大的电池容量。终端用户须将SLA电池放在低温下储存，并尽可能每次充电量接近其容量的100%，以保持最佳性能。密封铅电池在25°C下放置6个月后自放电容量约为20%；但40°C放置6个月后该值则增加到约30%。NiMH电池也应遵循类似的建议，避免长期储存使反应物失活。NiCd 和NiMH电池在25°C下放置1个月，其自放电率约为20%，随后自放电率的增速显著减慢。

相反，当锂离子电池储存时的充电电量为30-50%时，可获得最佳循环寿命。锂离子电池25°C储存6个月后的自放电容量仅为10%。

3 倍率特性

选择材料时，应考虑到其终端装置的涌流和最大放电率。电池或电池组以高倍率放电会造成电压下降。如果设计时没有考虑到这方面，终端装置可能会由于电压不足而关闭。

高倍率的NiCd电池的连续放电率可达2C（电池额定容量的两倍）甚至更高，具体取决于电池原料及内部阻抗。许多SLA电池的连续放电率可达3C甚至更高。大部分的锂离子电池的连续放电率仅为1C，但采用该技术的新电池，其连续放电率极高，达到80A，可持续30秒，在与NiCd和SLA电池的竞争中具有很大的优势。

4 循环寿命