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Die Auswahl einer geeigneten Primärzelle kann ein Spagat zwischen mehreren wichtigen Anforderungen sein. Man möchte eine Batterie, die genügend Kapazität hat, um das Gerät für eine ausreichende Zeit zu versorgen, und der Ausgangsspannungsbereich muss für die integrierten Schaltungen geeignet sein, die man versorgt. Üblicherweise sollte die Batterie auch so klein wie möglich sein, um die Produktgröße zu minimieren. Zudem müssen Kosten, Verfügbarkeit und Haltbarkeitsdauer in Betracht gezogen werden.
Vergleich von Primär- und Sekundärbatterien
Der Hauptunterschied zwischen Primär- und Sekundär-Batterien ist, dass Primärbatterien nicht wieder aufladbar sind, während Sekundärbatterien diese Eigenschaft besitzen. In Primärbatterien ist die ablaufende elektrochemische Reaktion nicht umkehrbar. Ist die Anode oxidiert, generiert die Batterie keinen Strom mehr. In einer wiederaufladbaren Batterie kann die Anode regeneriert werden. Die Batterie lässt sich wieder aufladen und weiter benutzen. Sekundärbatterien sind teurer als Primärbatterien, was sie üblicherweise von einem Einsatz in Einwegprodukten ausschließt. Primärbatterien haben wegen ihres geringen Selbstentladungsstroms eine längere Lebensdauer. Sekundärbatterien können wiederum höhere Leistungen liefern.
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Der Umwelteinfluss der unterschiedlichen Batterietypen ist ein komplexes Problem. Einerseits sind Sekundärbatterien wiederaufladbar und wiederverwendbar und müssen nicht zu oft erneuert werden, was bedeutet, dass weniger Abfall generiert wird. Andererseits enthalten sie gefährliche Stoffe, die die Umwelt schädigen können. Primärbatterien enthalten zwar auch gefährliche Stoffe, allerdings in einer deutlich geringeren Konzentration. Vergleicht man diese beiden Batterietypen miteinander, sondern Sekundärbatterien mehr Treibhausgase ab und generieren mehr gefährlichen Abfall als Primärzellenbatterien. Nach zwanzig Ladezyklen produzieren Sekundärzellenbatterien jedoch 90 % weniger Abfall als nicht aufladbare Primärbatterien und werden deshalb als umweltfreundlicher angesehen.
Die richtige Batterie für medizinische Standards finden
Batterien für medizinische Anwendungen müssen strenge Sicherheits- und Leistungs-Standards erfüllen. Der ANSI/AAMI ES 60601-1-Standard für medizinische Elektrogeräte spezifiziert einige Regulierungen, die eine Batterie erfüllen muss, einschließlich IEC 60086-4 und IEC 60086-5 für Primärbatterien. Zusätzlich gibt es spezielle Standards für unterschiedliche Anwendungen, wie beispielsweise die ISO 20127 für elektrische Zahnbürsten. Und auch die FDA (Food and Drug Administration) stellt spezielle Anforderungen an Lithium-Batterien.
Sie müssen beispielsweise in einer UL-zertifizierten Fabrik produziert werden. Zudem muss sich jede Batterie zur Fehleranalyse nachverfolgen lassen. Zusätzlich zur Auswahl der korrekten Batteriechemie, ist es wichtig, den Batteriehersteller zu zertifizieren, um sicherzustellen, dass er die FDA- und IEC-Vorschriften für die jeweilige Anwendung einhält.
Alkalische Batterien sind die am häufigsten eingesetzten Primärzellen. Verglichen mit anderen Batteriearten werden sie wegen ihrer geringen Leistungsabgabe und kurzen Lebensdauer üblicherweise nicht in medizintechnischen Geräten verwendet, außer in preisgünstigen Blutzuckermessgeräten oder Thermometern.
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Lithium-Batterien: Einsatz auch in kritischen Medizingeräten
Auf Lithium basierende Primärbatterien verwenden Lithium als Anodenmaterial und ein Metall als Katode. Die beiden am häufigsten eingesetzten Lithium-Metall-Primärbatterien sind Lithium-Mangan-Dioxid (LiMnO2) und Lithium-Disulfid (LiFeS2). LiMnO2-Batterien haben eine nominale Ausgangsspannung von 3 V und einen geringen Innenwiderstand. Damit eignen sie sich für digitale Applikationen, die unterschiedliche Lastprofile und Arbeitstakte erfordern. LiFeS2-Batterien haben eine nominale Ausgangsspannung von 1,5 V und einen ähnlich geringen Innenwiderstand. Sie werden in kritischen Medizingeräten wie kontinuierlich messenden Blutzuckermessgeräten, Infusionspumpen oder implantierbaren Geräten wie Defibrillatoren eingesetzt.
Silberoxyd-Batterien: Weniger Risiko für Infektionen
Silberoxid-Batterien (Ag-O) sind ebenfalls Primärbatterien, die Silber als Kathode und Zink als Anode verwendet. Sie sind sicherer und langlebiger als Lithium-Ionen-Batterien, allerdings zu höheren Kosten aufgrund der Silberkathode. Da die Silberbeschichtung das Risiko von Infektionen bei implantierbaren Geräten reduziert, werden sie zunehmend auch in implantierbaren Geräten verwendet.
Zink-Luft-Batterien wiederum besitzen eine Zink-Anode und nutzen mit einer elektrolytischen Paste dazwischen die Umgebungsluft als Kathode. Die Batteriezelle ist im Knopfzellenformat aufgebaut, mit einer Öffnung im Gehäuse, in das Luft strömen kann. Bevor die Batterie genutzt wird, ist diese Öffnung versiegelt. Ist die Versiegelung entfernt, kommt Sauerstoff an die Kathode, und Elektronen fließen von der Zink-Anode durch die elektrolytische Paste hin zur Kathode. Wegen des geringen Gewichts und der langen Lebensdauer werden Zink-Luft-Batterien überwiegend in Hörgeräten verwendet.
Die richtige Batterie fürs Brustpflaster
Für den Einsatz in einem Einweg-ECG-Brustpflaster mit einer Betriebsdauer von fünf Tagen werden die Eigenschaften der am häufigsten genutzten chemischen Batteriesubstanzen wie alkalisch, Lithium-Metall, Silberoxid und Zink-Luft untersucht. Das Pflaster ist für die Einmalanwendung ausgelegt, vollständig vergossen (Batterie kann nicht gewechselt werden), wasserdicht und mit einer Bluetooth-Kommunikationsschnittstelle für die drahtlose Übertragung der ECG-Daten ausgestattet. Das Pflaster enthält einen Temperatur- und einen Beschleunigungssensor. Da die Batterie für das Pflaster klein und leicht sein muss, kommt nur eine Knopfzelle in Betracht. Damit sind Lithium-Disulfid-Batterien aus dem Rennen, denn es gibt sie nicht als Knopfzellen. Für den einmaligen Gebrauch sind auch keine Sekundär- oder wiederaufladbare Batterien sinnvoll. Da die Batterie vollständig gekapselt ist, kommen auch keine Zink-Luft-Batterie in Betracht. Die Bluetooth-Kommunikation und die unterschiedlichen Betriebsmodi des Mikrocontroller führen dazu, dass eine alkalische Batterie wegen ihres hohen Innenwiderstands diese Applikation nicht betreiben kann. So kommen als Optionen nur Lithium-Mangan- oder Silberoxid-Batterien als Primärzellen in Frage. Die Lithium-Mangan-Batterie hat eine nominale Ausgangsspannung von 3,0 V und eine höhere spezifische Energiedichte als eine Silberoxid-Batterie. Für die Betriebszeit von fünf Tagen ergab ein Lastprofil, dass das Pflaster einen erwarteten Stromverbrauch von 45 mAh pro Tag oder 225 mAh über fünf Tage hat. Die Anforderung einer Batterie mit höherer Kapazität warf die Silberoxid-Knopfzelle aus dem Rennen. Übrig bleibt hier: die Lithium-Mangan-Batterie.
