医用电子设备传统电池升级为锂离子电池的可行性研究

王苏湘，彭驭风，赵有璠

医用电子设备传统电池升级为锂离子电池的可行性研究

王苏湘，彭驭风，赵有璠

目的：研究在医疗设备中用锂离子电池替换铅酸电池的可行性。方法：从能量密度、电压、储存性能、倍率特性、循环寿命、充电方式差异、安全电路、耐高温性能、加工性能等方面进行研究。结果：锂离子电池各方面性能均优于铅酸电池，并且环保无污染。结论：在医疗设备中应用锂离子电池可以达到降低成本，提高设备性能的目的。

医疗设备；锂离子电池；铅酸电池

0 引言

在医疗设备系统中，稳定可靠的电源至关重要。为了保证有一个不间断的电源，往往配备一个备用电池。较大的医疗设备一般都是使用铅酸电池来提供不间断的电源，但是铅酸电池需要配备昂贵且复杂的动态系统，因此使医疗设备系统的体积变大、变得笨重而且价格昂贵。如今的电子产品以及其相关行业对电子产品的移动性要求越来越高，医疗电子设备由于其使用目的的特殊性，对移动或便携性的要求更为突出。

新的锂离子电池与其他传统电池技术相比，有着能量密度高、质量小、循环寿命长、电池容量保持特性更好、电压高、成本低、适用温度范围更广等特点，而且对环境更加友好。锂离子电池是指2种不同的可以可逆脱出和嵌入锂离子的化合物分别作为电池的正极和负极的二次电池体系[1]，其充放电原理（以石墨负极、LiCoO2正极为例）如图1所示[2-3]。

锂离子电池的化学表达式为：

图1 锂离子电池的充放电原理示意图

如图1所示，Li+和Co3+各自位于立方紧密堆积氧化层中交替的八面体位置。在充电过程中，Li+从正极脱出，经过电解质嵌入到负极，负极处于富锂状态，正极处于贫锂状态。锂离子从八面体位置发生脱嵌而释放出一个电子将Co3+氧化为Co4+，以保持电荷平衡；在放电过程中，Li+从负极脱出，经过电解液嵌入到正极材料中，正极处于富锂状态。锂离子嵌入到八面体位置，石墨结构同时得到一个电子。

因为锂在正极和负极之间来回摆动，在“锂离子电池”命名以前被形象地称为“摇椅电池”（rocking chair batteries）[4]。锂金属是金属中最轻的元素，标准电极电位为-3.045 V，元素周期表中是电极电势最负的单质，其电池的工作电压可以高达3.6 V，是Ni/ Cd和Ni/MH电池的3倍，因此锂离子电池是一种理想的绿色二次电池[5]。

使用锂离子电池可以使电子医疗产品具有更好的便携移动性、更长的续航能力和稳定性，这对及时地救治伤病患者是非常重要的。因此，推广锂离子电池应用于医疗产品中具有重要的意义。出于医疗设备产品中对电源设计可靠性、安全性的严格要求，本文对比了锂离子电池和其他传统化学电池的特性和容量，就锂离子电池应用到医疗设备电源系统进行分析。

1 能量密度和电压

如前所述，锂离子电池最主要的优势有：

（1）锂离子电池的工作电压高达3．6 V（镍氢和铅酸电池的工作电压均为1．2 V），一节锂离子电池的工作电压可以达到其他电池三节串联的效果，大大减少了因串联而造成的能量损失和电池性质不一致造成的各种问题。

（2）能量密度高。相同体积和质量的锂离子电池可储存和释放比其他充电电池更多的能量。锂离子电池的比能量超过180 Wh/kg，而聚合物锂离子电池更是拥有超过200 Wh/kg的比能量。而铅酸电池（SLA）只有约40 Wh/kg质量能量密度，镍氢化合物电池（Ni/MH）只有约80 Wh/kg的质量能量密度[6]。在电子医疗仪器的设计中，使用的电池能量密度越高，其产品的体积越小，这意味着在新产品的设计中，工程师可以利用其节省出来的多余空间，在产品体积不变的条件下设计更多的功能。

深圳斯盛能源股份有限公司与胜克斯电子有限公司电学、材料学实验室对使用锂离子电池组替换某电子医疗设备中的铅酸蓄电池组的可行性进行了研究。使用容量为2 300 mAh的铅酸蓄电池，在该电子医疗设备上以12 V的工作电压放电110 min后，由于设备上铅酸蓄电池本身自带动态系统的原因停止工作；而使用3个容量为4 400 mAh的锂离子电池串联的电池组，在同一台设备上放电120 min后的电压为11 V。鉴于锂离子电池的工作平台较稳定，在移除动态系统之后以锂离子电池替代铅酸电池是可行的。

2 储存性能

充电电池储存的时间越长，其损失的能量越多，这种现象被称为自放电。其损失的大部分能量在储存得当的条件下仍可恢复。储存充电电池的最佳温度一般为室温（25°C或更低）以下。铅酸电池在低温条件下储存时，必须充电至接近其容量电量，以保持最佳性能。密封的铅酸电池在25°C下放置6个月后一般损失的电容量约为20%，在40°C放置6个月后损失的容量增加到30%左右。Ni/Cd和Ni/MH电池在25°C条件下，一个月的容量损失率约为20%，随后自放电率的增速显著减慢。

而锂离子电池以充电其容量的30%～50%储存，即可获得最佳循环寿命，并且在25°C条件储存6个月后所损失的容量仅为10%。因此，从储存性能来说，锂离子电池有着极佳的稳定性，更适用于各种电子医疗设备。

3 倍率特性

选择材料时，应考虑到其终端装置的电流和最大放电率。电池或电池组在高倍率放电的情况下会造成电压下降，如果设计时没有考虑到这方面的因素，终端装置可能会由于电压不足而关闭。高倍率的Ni/Cd或Ni/MH电池的连续放电率可达2C（电池额定容量的2倍）甚至更高，铅酸电池的连续放电率可以达到3C以上。普通的锂离子电池的连续放电率仅为1C，但是目前新技术的锂电池（例如磷酸铁锂电池），其连续放电率（倍率及连续放电时间）可以达到10C左右，在与Ni/Cd、Ni/MH、铅酸电池的竞争中具有很大的优势。

4 循环寿命

电池的循环寿命是指电池容量下降到其原始容量的某一规定百分比之前电池所经历的充放电循环次数。铅酸电池的循环寿命约为250～500次，具体次数取决于制造商的产品质量和放电深度（放电容量最多至额定容量的60%）。不管使用何种化学物质，电池放电深度越深，用户可使用的循环次数就越少。而锂离子电池循环寿命远超过500次，其容量仅下降为额定容量的80%，在这方面远超铅酸电池。

5 充电差异

铅酸电池一般采用恒压充电，其充电效率不高，通常需要充电14～16 h才能达到满电状态。而锂离子电池通常以1C的倍率充电60～75 min即可从低能状态达到总容量的80%～90%[7]。至于其他种类电池，除了某些可以采用高电流充电的电池外，充电至80%～90%额定容量需要的时间更长[8]。因此，锂离子电池的充电方式有2个优点：（1）可以在极短的时间内获得接近满充的电量，不会因为充电而耽误医疗设备的使用。（2）充电完成后的实际电压绝不会超过4．2 V。

由于工作要求，大部分医疗设备的电池需要随时保持充电可用状态，但是锂离子电池的化学性质决定其不适合涓流充电和恒流浮充充电，因此在触发电池再次充电前需要确保电池放电超过20%。这样可以在不损害电池容量以及不影响医疗设备的前提下，降低锂离子电池过充电的可能性。

6 安全电路

一个优秀的充电电池设计，应该包括有一整套的安全设计，例如Ni/Cd电池组带有某种电流分断单元，以防止发生严重故障；Ni/MH电池的发热量较大，因此，为防止过度充电，电池中需设计热感应单元安全装置以及电流分断单元。医疗设备中设置的铅酸电池带有正负2个金属电极，应注意避免碰撞短路。因电路故障造成的过负载，生产厂家的工程师们应在电池内部或周边设置保险器件。

锂离子电池对过充电十分敏感，在过充电情况下，锂离子电池两端电压过高会造成电池燃烧甚至爆裂的问题。因此，锂离子电池中也应使用安全装置，使充放电过程中电池电压保持在特定的范围内。通常可以采用专用集成IC或者热敏电阻对锂离子电池组进行保护。图2为便携式计算机内部锂离子电池组及保护板示意图。

图2 锂离子电池组电子安全装置示意图

相对于铅酸电池昂贵复杂的动态系统，锂离子电池安全保护装置体积小、结构简单、价格低廉。所以即便是锂离子电池组需要设计安全电路，其仍然可以缩小电池组体积，减轻其质量，并能释放更多的能量。

7 耐高温性

锂离子电池在40～45℃的较高温度下，性能优于其他电池。SLA和Ni/MH电池在高热量环境下无法正常工作，这成为其在急救工具中使用的一个限制因素。

8 加工性能

锂离子电池有着优良的加工性能，可以加工成不同大小、不同形状的电池。相对于铅酸蓄电池方方正正的大块头形状而言，锂离子电池的类型多种多样，按照外形可以分为纽扣式、方形和圆柱形3种，如图3所示[9]。

因此，锂离子电池可以适应于不同大小的电子医疗设备，例如呼吸机、麻醉机、监护仪、小型心脏起搏器、便携式血压测量仪等，这是铅酸蓄电池所不具有的优势。

9 结语

图3 锂离子电池形式

在为医疗设备选择最佳电源方案时，必须对其总成本和整体性能进行评估。锂离子技术的高电压特性可以减少电池的使用量，因此可降低电池组的成本，使之与使用镍技术的电池大致相当。此外，锂离子电池的成本还因供应商不断使用新材料而持续降低[10]。再加上锂离子电池拥有体积小、质量轻、能量高、循环寿命长、耐久性及耐热性好、绿色环保等显著的优势，医疗电子产品制造商在医疗设备生产过程中应充分加以利用，以达到降低成本、提高设备性能的目的。

[1] 胡广侠.锂离子电池充放电过程的研究[D].上海：上海微系统与信息技术研究所，2002.

[2] 吴玉平，袁翔云，董超，等.锂离子电池——应用与实践[M].2版.北京：化学工业出版社，2011.

[3] 黄可龙，王兆翔，刘素琴.锂离子电池原理与关键技术[M].北京：化学工业出版社，2008.

[4] 叶伟.锂离子电池碳负极及高容量18650型电池的工艺和性能研究[D].长沙：湖南大学，2006.

[5] 邱玉凤，江家发.新型高效绿色能源：锂离子电池[J].化学教育，2011（8）：1-3，19.

[6] 姜国权.电动汽车动力电池管理系统的研究[D].上海：上海交通大学，2009.

[7] 朱小同，赵桂先.蓄电池快速充电的原理与实践[M].北京：煤炭工业出版社，1996.

[8] 王鸿雁，李广凯，江政昕，等.锂离子电池快速充电方法研究[J].电源技术，2012，36（11）：1 616-1 619.

[9] 李凌云，任斌.我国锂离子电池产业现状及国内外应用情况[J].电源技术，2013，37（5）：883-885.

[10]刘彦龙.中国锂离子电池发展现状[J].电池世界，2012（9）：34.

（收稿：2013-05-14 修回：2013-12-11）

卫生装备研究所“亮剑”演练场

近日，西藏自治区卫计委和区疾控中心在拉萨达孜县德庆镇联合举行突发性传染病防控应急演练。由军事医学科学院卫生装备研究所崔向东高级工程师等3名专家组成的专家组应邀参加,并进行现场指导。

此次演练无既定方案，完全是在模拟应急背景下的实战演习，旨在提高自治区国家突发性传染病防控队应急处突能力。演练使用的突发性传染病防控装备由军事医学科学院卫生装备研究所机动医疗平台技术与装备研究室研制，该装备系统采用车载化技术形式，由应急指挥车、采样车、生物安全检验车、卫生防疫车等9辆车及宿营帐篷和队员个人携行装备组成，具有快速机动、合理配置、系列化标准化程度高、自我保障齐全等特点。演习过程中，专家组成员不辞辛苦，克服高原反应、天气炎热等重重困难全程跟踪指导，并就装备操作中遇到的重点难点问题向队员们耐心讲解。此次演练突出“实战”二字，整个过程流畅自然，应对处置规范有序，达到了磨合机制、锻炼队伍、检查检验的预期目的，不仅展示出该装备系统在高原环境下作业的优越性能，还提高了队员们操作装备的熟练程度，进一步促进了人机结合。

西藏自治区卫计委副主任白建斌在观摩演习时说，这是该装备首次以实战为背景的野外应急演练，充分展现出其实用便捷、机动灵活、快速高效等特点,将大幅提高自治区在重大疫情和突发公共卫生事件等紧急情况下的指挥调度、快速反应和应急处置的实战能力。目前该装备系统已获评“拉萨市科技进步一等奖”。

（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

常德市指导性科技计划项目（2011ZDZ1）

王苏湘（1959—），男，工程师，主要从事医疗设备维修技术、医学计量管理及质量控制方面的研究工作，E-mail：suxiang@xinhuanet.com。

415000湖南常德，常德职业技术学院附属第一医院设备科（王苏湘）；518000广东深圳，深圳市斯盛能源股份有限公司电池例行试验室（彭驭风）；518000广东深圳，深圳市胜克斯电子有限公司材料学试验室（赵有璠）