電池壽命是當今許多應用中的一個重要因素。對于植入式醫療設備，患者需要確信電池將讓他們在需要重新充電之間有很長的時間，稱為充電間隔。

幾乎同樣重要的是，電池的可用容量以及充電之間的時間將在其使用壽命內逐漸減少，這決定了它在需要更換之前可以使用多少年。這決定了電池的壽命，以及它可以使用多少有用的充電/放電循環。選擇電池時，使用壽命可能是一個關鍵的購買標準——一旦電池達到使用壽命，就需要更換，這將涉及植入式設備中的某種外科手術。

介紹

通常，在需要充電之前，電池可以使用的時間減少 20%，被視為容量減少成為問題的點。因此，可充電電池的使用壽命通常定義為容量下降到其原始值的 80% 之前的充放電循環次數。

對于醫療設備的設計人員來說，重要的是他們要獲得有關市場上可用的不同充電電池的準確信息。他們需要確信，當他們查看來自不同制造商的電池時，他們正在比較相同的參數，并且數據表上的數字反映在可能的實際行為中。

在本文中，我們將了解設計人員如何確保他們獲得正確的信息以作為其決策的基礎。我們將回顧哪些因素會影響鋰離子電池的壽命，這些因素尤為重要，因為鋰離子電池比其他技術更容易受到變化的影響，而且它們的性能在很大程度上受測試、使用和儲存條件的影響.

電池壽命如何受到影響

對于任何可充電電池，用戶需要多久找到一個充電點取決于多種因素。

首先，有環境因素，如溫度和振動。環境因素會對電池壽命產生很大影響，在 25°C 左右的溫度下退化最少，這被認為是鋰離子電池的典型特征。這也意味著熱管理在某些應用中很重要，例如電動汽車，以確保充電或放電產生的熱量不會使電池溫度升高得太高。

但對于植入式醫療設備中的電池，這些因素通常不會產生重大影響。這是因為在植入后，醫療設備保持在大約 37°C 的恒定溫度，沖擊或振動很小。

對于醫療設備，對充電間隔的主要影響歸結為所謂的“操作因素”。這些包括充電和放電率以及電池充電和放電到的滿容量百分比。存儲也很重要——電池在長期存儲期間保持的電量百分比會影響其行為，一旦將其安裝到設備中并投入使用。

充電電壓是關鍵

在鋰離子電池中，正負極之間的電位差隨著電池充電而增大，能量被注入電池。然后隨著電池在使用中放電而減少，并取出能量。

這意味著可以跨端子測量的電壓是電池充電程度的可靠指示，因此電池中剩余多少能量。例如，此類電壓測量值是您的智能手機或筆記本電腦如何確定剩余電池壽命的百分比，然后可以據此估算電池電量耗盡之前的時間。

對于醫療應用，鋰離子電池的額定電壓通常為 3.6V 或 3.7V。在實踐中，標準程序是將電池充電至最大約 4.1V，并允許其放電至 2.7V 的低點。充電停止時的最大電壓稱為充電結束電壓 (EoCV) 電平。

但是如果我們改變這些參數會發生什么？相反，如果電池只放電到高于 2.7V 的最低電壓，那么它只會放電部分容量。例如，如果我們在電壓達到 3V 時停止降低電池電量，這可能意味著電池僅放電到其容量的 40% 或 50%。

這個低電壓點定義了所謂的放電深度 (DoD)。因此，電池完全放電被認為是 100% DoD，而我們可以用較小的 DoD 百分比來測量壽命。另一個可能影響壽命的變化是將電壓上限從 4.1V 降低到較低值。

這些變化的原因是鋰離子電池中發生了不同的化學反應，例如，降解電解質，或在陽極上沉積不溶性化合物，從而降低其效率。

這些電壓變化在實踐中產生了驚人的巨大差異。如果我們改變電壓上限和下限，即使是一點點，電池壽命中的充放電循環次數也會減少到之前的 20%，甚至更少。

盡管我們在這里只討論電荷和電壓的微小變化，但請務必記住，可充電電池在現場最終可能會完全放電。例如，患者可能只是忘記在正確的時間給電池充電，導致其電壓降得太低，或者電池可能會存放很長時間。

這與我們剛剛討論的壽命變化不同，但對于許多鋰離子電池而言，這種完全放電會造成損壞，從而大大降低其可用性。EnerSys ?通過其 Zero-Volt? 技術解決了這個問題，該技術可確保電池即使在放電至零伏后仍能以峰值容量運行（圖 1 和圖 2）。

圖 1：可用電池容量

圖 2： Quallion 電池

測試一下

當我們測試我們自己的 Quallion ?電池時，我們已經展示了出色的低容量衰減性能，同時以 100% 的放電深度 (DoD) 值循環電池，低至 20%。我們的意思是，即使經過多次充放電循環，電池容量的損失也會最小化。

通過降低充電結束電壓 (EoCV)，可以在電循環期間進一步提高容量衰減性能。將 EoCV 從最大推薦值 4.1V 修改為較低值 4.0V 將增加電池的可用容量。

當我們查看 100% DoD（醫療應用中的常見用例）時，我們會檢查電池在達到初始保留容量的 80% 時的循環壽命。大多數醫療應用都指定了此操作循環壽命值，所需的值因醫療設備的預期用途而異。

通常，醫療應用要求電池在 100% DoD 循環條件下滿足 500 到 1,000 次循環，同時保持電池初始保留容量的 80%。其醫用電池中使用的 Quallion ?化學物質超過了這些循環要求，保留容量為 80% 或更高。

結論

即使工作條件（例如充電和放電電壓）的微小差異也會對電池壽命或使用壽命產生重大影響。這意味著設備設計人員應確保他們以類似的方式比較電池，并應檢查電池制造商在其數據表上指定的測試條件。

審核編輯 黃昊宇