医療機器設計に最適なバッテリーの選び方

紹介

適切な一次電池バッテリーを選択することは、複数の競合する要件の間でバランスを取る行為となります。デバイスに十分な期間電力を供給する容量を持つバッテリーが必要であり、出力電圧範囲は、電力供給を行う集積回路に適している必要があります。通常、製品全体の寸法を最小限に抑えるために、可能な限り小さいバッテリーサイズを選択したいと考えるでしょう。コスト、入手可能性、保存寿命についても考慮する必要があります。エンジニアとしての責任として、設計上の決定が環境に与える影響も考慮すべきです。当社の製品に選択するバッテリーは、何年にもわたり埋立地に廃棄される可能性があります。設計者の判断を支援するために、最も一般的に使用されるアルカリ、リチウム金属、酸化銀、亜鉛空気のバッテリー化学を対象に、それらを使い捨て心電図（ECG）チェストパッチ設計に使用するための評価を行います。

一次電池と二次電池

一次電池と二次電池の主な違いは、一次電池が充電可能ではないのに対して、二次電池は充電可能である点です。一次電池では、発生する電気化学反応が逆行不可能です。一度アノードが酸化すると、電池はこれ以上電気を生成することができなくなります。充電式電池では、アノードを脱酸化することができ、その結果電池を充電して再使用することができます。二次電池は通常、一次電池よりも高価であり、そのため使い捨てシステムでの使用を阻む要因となります。一次電池は自己放電電流が少ないため、長い保存寿命を持っていますが、充電式二次電池はより多くの電力を提供でき、特に高い電流負荷の用途でその特徴が表れます。   さまざまな種類の電池が環境に与える影響は複雑な問題です。一方では、二次電池は再利用可能であり、交換頻度が少なくなるため、廃棄物が減少します。その一方で、二次電池は環境に有害な危険物質を含んでいます。一次電池も危険物質を含んでいますが、その濃度ははるかに低いです。1個の電池単位で比較すると、二次電池は一次電池よりも多くの温室効果ガスを排出し、より多くの有害廃棄物を生成します。しかし、20回の充電サイクルの後、二次電池は使い捨ての一次電池より90%少ない廃棄物を生産し、より環境に優しいと見なされています。

医療基準

医療用途のバッテリーは厳しい安全性と性能基準を満たす必要があります。ANSI/AAMI ES 60601-1 の医療電気機器に関する標準は、バッテリーが遵守すべき多数の規制基準を規定しており、一次電池用の IEC 60086-4 および IEC 60086-5、家庭用および商業用バッテリー用の UL2054 などが含まれます。さらに、電動歯ブラシ用の ISO 20127 など、用途に応じた特定の基準があります。   FDA もリチウムバッテリーに関して特定の要件を設けており、UL 認証を受けた工場で製造されること、またすべてのバッテリーが故障分析のために追跡可能である必要があります。適切なバッテリー化学を選択するだけでなく、バッテリーメーカーが FDA および IEC 規制に準拠していることを確認することが重要です。

電圧範囲

一次電池は通常、1.5 Vおよび3.3 Vの2つの電圧範囲で提供されます。どちらの範囲を使用するかの選択は、アプリケーションに依存します。降圧コンバータは、一般的に昇圧コンバータよりも効率的です。バッテリレギュレータで一般的な戦略は、昇降圧コンバータを使用してバッテリ電圧範囲を最大限に活用することです。しかし、昇降圧コンバータは通常、降圧コンバータよりも大きく、2つのスイッチではなく4つのスイッチを持つため、より多くの外部コンポーネントが必要です。

アルカリ

アルカリ電池は、テレビのリモコンや時計に見られるようなアナログ回路の電源供給に適していることもあって、かなりの差を持って最も広く使用される一次電池です。これらの電池は他のバッテリー化学組成と比較して高い内部抵抗を持ち、バッテリーの放電が進むにつれて内部抵抗が増加します。この特性のために、アルカリ電池は高負荷を必要とするデジタル回路や異なるデューティサイクルや動作モードを持つ回路には通常適していません。また、セルの物理的なサイズが小さくなるほど、アルカリ電池は高い内部抵抗を示します。このため、LEDやスピーカーが多いおもちゃのような高電流の用途ではDセル電池が必要になる可能性があり、時計はコインセル電池で動作することができます。アルカリ電池は使用および保管が安全とされており、爆発や漏れに関する懸念が最小限であり、Li-Ion電池のような規制基準には準拠しないと見なされています。   アルカリ電池は、他のバッテリー化学組成と比較して限られた出力と短い寿命のため、通常医療用機器には使用されません。医療用途では、低コストのグルコースメーターや体温計、まれに使用され、重要な機能を必要としない他の機器で見られることがあります。

市場にはいくつかのリチウムベースの一次電池があり、いずれもリチウムをアノード材料として使用し、カソードに金属を使用しています。これらは一般的にリチウム金属電池として知られています。最も広く使用されているリチウム金属一次電池は、リチウムマンガン酸化物 (LiMnO2) とリチウムジスルフィド (LiFeS2) です。   LiMnO2電池は公称出力電圧が3Vで、内部抵抗が低い特性を持っています。そのため、異なる負荷プロファイルやデューティサイクルを必要とするデジタル用途に適しています。LiFeS2電池は公称出力電圧が1.5Vで、同様の内部抵抗を持っています。これらは、アルカリ電池を必要とする機器で直接代替として使用されることが多いです。   リチウム金属電池は漏れや爆発しやすいため、特殊な取り扱いと輸送の制約が必要です。しかし、アルカリ電池と比較していくつかの利点を提供します。同等の形状で容量が2倍、寿命が長く、軽量です。   その結果、多くの用途でアルカリ電池がリチウム金属電池に置き換えられています。リチウム金属電池はまた、持続的グルコース測定器、輸液ポンプ、植込み型除細動器などの重要な医療機器にも使用されています。

銀酸化物電池

銀酸化物 (Ag-O) 電池は、銀をカソード、亜鉛をアノードとして使用するもう一つの一般的な一次電池です。これらはアルカリ電池と似た標準出力電圧 (つまり 1.55 V) を持ちながら、より高い容量と平坦な放電曲線を備えており、デジタル用途に適しています。カソードに銀が含まれているため、大型サイズでは高価になる可能性があり、主にコイン電池やボタン電池の形状で使用されています。

歴史的に、Ag-Oバッテリーは漏れる傾向があり、腐食を抑えるために電池に水銀が追加されることがありました。しかし近年、電池メーカーは水銀を使用することなく腐食を最小化する方法を見つけることに成功し、環境にとってAg-Oバッテリーはより持続可能なものとなっています。Ag-Oバッテリーはリチウムバッテリーよりも安全性が高く、稼働時間が長く、放電曲線が類似しながらも、銀カソードによるコストの高さから低コストの用途での採用を限定しています。銀コーティングは埋め込み型デバイスによる感染リスクを減らすことができるため、Ag-Oバッテリーの化学構成は埋め込み型デバイスでますます使用されるようになっています。

亜鉛空気

亜鉛空気電池は、これまでの電池化学と比べると独特の電池化学を持っています。亜鉛空気電池は亜鉛アノードを持ち、周囲の空気がカソードとなり、その間に電解質ペーストが配置されています。このセルは、典型的なコイン型電池の形状で構成されており、ケースには空気を取り入れるための開口部があります。電池が使用される前には、この開口部はシールされており、セルへの空気の侵入を防いでいます。一度シールが破られると、酸素がカソードで導入され、電子が亜鉛アノードから流れ始め、電解質ペーストを通ってカソードへと流れます。他の電池化学と異なり、カソードが金属ではないため、亜鉛空気電池は軽量でコスト効率が高いという特長があります。また、充電保持能力が高く、比較的フラットな放電率を持っています。亜鉛空気電池の出力電圧範囲は0.9 Vから1.4 Vです。

バッテリーは動作するために環境に晒される必要があるため、医療機器での使用は制限されています。多くの医療機器は環境からの保護を必要としますが、亜鉛空気電池はその条件を満たしていません。この化学電池は軽量で長寿命であることから、補聴器のバッテリーとして最も使用されています。

アプリケーション例

一般的なバッテリー化学式の種類と、その提供可能な利点についてレビューしたところで、具体的な応用例を見てみましょう。この例では、使用可能時間が5日間のECG胸部パッチを考えます。このウェアラブルパッチは、使い捨て用に設計されており、完全に密封され（バッテリーの交換不可）、防水性があり、Bluetooth®通信を使用してECGデータを無線で送信します。さらに、患者の体温を記録するためにMAX30208温度センサーを含むほか、ADXL367加速度センサーで患者の活動情報を監視します。このパッチは、病院の環境、外来診療所、患者の自宅などで使用することができます。 このアプリケーションでは、ECGアナログフロントエンド（AFE）としてMAX30001を使用し、マイクロコントローラユニット（MCU）としてMAX32655を採用する予定です。バッテリーに応じた電源管理ソリューションを選択します。

これらの要件に基づいて、使用するバッテリーについて適切な判断を行うことができます。ウェアラブルな設計はコンパクトであるため、バッテリーのフォームファクターは小型で軽量であるべきです。そのため、コイン型電池のフォームファクターを使用することを目指すべきでしょう。リチウム二硫化物電池はコイン型電池のフォームファクターには対応していないため、これを排除できます。また、パッチが使い捨てであることが分かっているため、二次電池や充電可能なバッテリーを使用することはできません。さらに、バッテリーが完全に密閉されているため、亜鉛空気電池を使用することも除外されます。Bluetooth通信やMAX32655のさまざまな動作モードを考慮すると、アルカリ電池はその内部抵抗が高いため、この用途をサポートできないと合理的に推定されます。このことから、リチウムマンガン電池と銀酸化物一次電池ケミストリが選択肢として残ります。   リチウムマンガン電池は公称出力電圧が3.0 Vであり、銀酸化物電池よりも高い比エネルギーを持っています。(銀酸化物) CR2032電池を容易に調達でき、これは235 mAhの容量を持っています。銀酸化物電池は公称出力電圧が1.55 Vであり、市販されている最大のコイン型電池フォームファクターは容量が200 mAhのSR44W電池です。設計に戻り、要件を確認すると、パッチは5日間の動作時間が必要であることが分かります。負荷プロファイルを構築することで、パッチは1日あたり約45 mA、5日間で225 mAを消費することが推定されます。より高容量のバッテリーが必要という要件は、銀酸化物コイン型電池を競争対象から除外し、この用途に最適な選択肢としてリチウムマンガン電池が浮上します。

結論

アプリケーションに適したバッテリーを選択するには、形状、適合性、機能を慎重に検討する必要があります。各バッテリー化学の強みと弱点を理解することで、システム設計要件に最適なバッテリーを選択することができます。

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