電池壽命是當今許多應用中的重要因素。關于可植入的醫療設備，患者要確信電池會在要重新充電之間給它們較長的時間，即充電間隔。

幾乎同等重要的是，電池的可用容量以及兩次充電之間的時間將在其使用壽命內逐漸減少，這決定了電池要更換多少年。這決定了電池的壽命以及可以使用多少個有用的充電/放電循環。選擇電池時，長壽可能是一個關鍵的購買標準-一旦電池達到其使用壽命，將要更換電池，這將涉及在植入式設備中的某種外科手術。

介紹

通常，在要充電之前，可以將電池的使用時間減少20％，這被認為是容量減少的一個問題。結果，可再充電電池的使用壽命通常被含義為在容量下降到其原始值的80％之前的充放電循環次數。

關于醫療設備的設計人員而言，重要的一點是，他們必須獲得有關市場上可用的各種可充電電池的準確信息。他們要確信，當他們查看不同制造商的電池時，它們正在比較相同的參數，并且數據表上的數字反映在現實生活中的行為上。

在本文中，我們將研究設計師如何確保他們獲得正確的信息，并以此為基礎進行決策。我們將回顧什么因素會影響鋰離子電池的使用壽命，這些因素尤其重要，因為鋰離子電池比其他技術更容易發生變化，并且其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

關于任何可充電電池，用戶要多長時間找到一個充電點取決于多個因素。

首先，有環境因素，例如溫度和振動。環境因素對電池壽命有很大的影響，在25°C左右的溫度下（鋰離子電池通常認為的）退化最小。這也意味著熱管理在某些應用（例如電動汽車）中可能很重要，以確保通過充電或放電出現的熱量不會使電池溫度過高。

但是關于植入式醫療設備中的電池，這些因素通常不會出現重大影響。這是因為醫療設備在植入后會保持在大約37°C的恒定溫度下，沖擊或振動很小。

關于醫療設備，對充電間隔的重要影響在于所謂的“操作因素”。其中包括充電和放電的速率以及電池充放電到的全部容量的百分比。存儲也很重要-在將電池安裝到設備中并投入使用后，長時間存儲會保留多少百分比的電量會影響其行為。

充電電壓是關鍵

在鋰離子電池中，正極和負極之間的電位差隨著電池的充電而新增，并且能量進入電池。隨著使用中電池的放電，它會減少，并消耗能量。

這意味著可以在端子之間測量的電壓是電池充滿電的可靠指示，因此可以在其中剩余多少能量。例如，通過這種電壓測量，您的智能手機或筆記本電腦可以確定電池剩余電量的百分比，然后據此估算電池耗盡所有電量之前要花費的時間。

關于醫療應用，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約4.1V的最大值，并使其放電至2.7V的低點。停止充電的最大電壓稱為充電終止電壓（EoCV）電平。

但是，假如我們更改這些參數會怎么樣？相反，假如僅將電池放電至高于2.7V的最低電壓，則它將僅放電掉部分電量。例如，假如我們在達到3V電壓時停止將電池耗盡，則可能意味著電池僅放電至其容量的40％或50％。

這個低壓點含義了所謂的放電深度（DoD）。因此，將電池完全放電視為100％DoD，而我們可以用較小的DoD百分比來測量壽命。可能會影響使用壽命的另一項變化是將上限電壓端點從4.1V降低至較低值。

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，使電解質降解或在陽極上沉積不溶性化合物，從而降低了其效率。

這些電壓變化在實踐中出現了令人驚訝的巨大差異。假如我們稍微改變電壓的上限和下限，則電池壽命中的充放電循環次數只能減少到以前的20％，甚至更少。

盡管在這里我們僅討論電荷和電壓的微小變化，但切記要記住可充電電池可能最終在現場完全放電。例如，患者可能只是忘記在正確的時間為電池充電，從而使其電壓下降得過低，或者可能將電池存放了較長的時間。

與我們剛剛討論的壽命變化相比，這是一個不同的問題，但是關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，該技術可確保即使在電池放電至零伏后（圖1和2），電池仍可以在峰值容量下運行。

圖1：可用電池容量

圖2：Quallion電池

測試結果

當我們測試了自己的Quallion®電池時，我們展示了出色的低容量衰減性能，同時在放電深度（DoD）值為100％（低至20％）的情況下循環電池。由此，即使經過多次充放電循環，電池容量的損失也降至最低。

通過降低充電終止電壓（EoCV），甚至可以在電循環期間進一步改善容量衰減性能。將EoCV從最大建議值4.1V修改為較低的4.0V值將新增電池的可用容量。

當我們查看100％DoD（這是醫療應用中的常見用例）時，我們會在達到初始保留容量的80％時檢查電池的循環壽命。大多數醫療應用指定此工作循環壽命值，并且所需的值會隨醫療設備的預期用途而變化。

通常，醫療應用要電池在100％DoD循環條件下滿足500至1,000個循環，同時保持電池初始保留容量的80％。其醫用電池中使用的Quallion®化學物質以80％或更高的保留容量超過了這些循環要求。

結論

即使工作條件中的很小差異（例如充電和放電電壓）也可能對電池壽命或使用壽命出現重大影響。這意味著設備設計人員應確保他們以類似方式比較電池，并應檢查電池制造商在其數據表上指定的測試條件。