Stromversorgung

Lithium-Ionen-Akkus für implantierbare Geräte

19. November 2020, 13:39 Uhr   |  Enersys

Lithium-Ionen-Akkus für implantierbare Geräte
© Shutterstock.com/Nakaraj5965

Bei Herzschrittmachern haben sich wiederaufladbare Akkus noch nicht durchgesetzt - ein Nachteil für den Patienten.

Vorteil für Medizintechnik und Gesundheitswesen

Die Batterielebensdauer spielt heute in vielen Anwendungen eine entscheidende Rolle. Bei implantierbaren medizinischen Geräten müssen die Patienten darauf vertrauen können, dass die Batterie ihnen eine lange Zeitspanne zwischen den Ladevorgängen/-intervallen zur Verfügung stellt. 

Fast ebenso wichtig: Die nutzbare Kapazität des Akkus und damit die Zeit zwischen den Ladevorgängen nimmt im Laufe der Nutzungsdauer allmählich ab und bestimmt, wie lange der Akku hält, bevor er ersetzt werden muss – also dessen Gesamtlebensdauer und die Anzahl der nützlichen Lade-/Entladezyklen. Die Langlebigkeit kann ein entscheidendes Kaufkriterium bei der Auswahl einer Batterie sein. Sobald die Batterie das Ende ihrer Lebensdauer erreicht hat, muss sie ersetzt werden, was bei einem implantierten Gerät einen chirurgischen Eingriff erfordert. 

So lässt sich die Batterielebensdauer beeinflussen

Eine Verkürzung der Akku-Betriebszeit um 20%, bevor er aufgeladen werden muss, wird allgemein als der Punkt angesehen, an dem diese Kapazitätsverringerung zum Problem wird. Folglich wird die Nutzungsdauer eines Akkus als die Anzahl der Lade- und Entladezyklen definiert, bevor die Kapazität auf 80% ihres ursprünglichen Werts abfällt.

Bei wiederaufladbaren Akku bestimmen mehrere Faktoren, wie oft Nutzer diesen wieder aufladen müssen. Zunächst spielen Umgebungsfaktoren wie Temperatur und Vibration eine Rolle. Diese können einen großen Einfluss auf die Batterielebensdauer haben, wobei die geringste Verschlechterung bei einer Temperatur um 25 °C als typisch für Lithium-Ionen-Zellen angesehen wird. Dies bedeutet auch, dass das Wärmemanagement in einigen Anwendungen wie beispielsweise Elektroautos entscheidend sein kann, um sicherzustellen, dass die beim Laden oder Entladen entstehende Wärme die Temperatur der Akkus nicht zu sehr erhöht. Bei Batterien in implantierten medizinischen Geräten haben diese Faktoren keinen Einfluss, da diese Geräte nach der Implantation eine annähernd konstante Temperatur von 37 °C aufweisen und Stöße oder Vibrationen nur geringfügig sind.

Bei medizinischen Geräten sind vor allem die »Betriebsfaktoren« für das Ladeintervall verantwortlich. Dazu gehören die Lade- und Entladerate sowie der Prozentsatz der vollen Kapazität, auf den der Akku geladen und entladen wird. Auch die Lagerung trägt zum Prozentsatz der Ladung bei, sofern der Akku länger aufbewahrt wurde. Dies kann sich auf sein Verhalten auswirken, sobald er in ein Gerät eingebaut und in Betrieb genommen wurde.

Nennspannung von 3,6 oder 3,7 V

Bei Li-Ionen-Batterien steigt die Potentialdifferenz zwischen Plus- und Minuspol, wenn die Batterie geladen und somit Energie eingespeist wird. Sie nimmt dann ab, wenn der Akku während des Betriebs entladen, also Energie entnommen wird. Die Spannung, die über die Klemmen gemessen wird, ist daher ein zuverlässiger Indikator, wie voll der Akku ist und wie viel Energie in ihm verbleibt. Durch solche Spannungsmessungen kann zum Beispiel ein Smartphone oder Laptop den Prozentsatz der verbleibenden Akkuladung ermitteln und daraus eine Schätzung der Zeit ableiten, bis der Akku nahezu entladen ist.

Für medizinische Anwendungen kann eine Li-Ionen-Batterie auf eine Nennspannung von 3,6 oder 3,7 V ausgelegt sein. In der Praxis besteht die Standardprozedur darin, die Batterie auf ein Maximum von etwa 4,1 V aufzuladen und sie auf einen niedrigen Wert von 2,7 V zu entladen. Diese maximale Spannung, bei der der Ladevorgang unterbricht, wird als Lade-Endspannung (EoCV; End-of-Charge Voltage) bezeichnet. 

Spannungspunkt definiert Entladungstiefe

Was passiert, wenn wir diese Parameter ändern? Sofern der Akku nur bis zu einer Mindestspannung entladen wird, die höher als 2,7 V ist, wird auch nur ein Teil seiner Kapazität entladen. Stoppt man das Entladen des Akkus, sobald er eine Spannung von 3 V erreicht hat, kann dies bedeuten, dass er nur zu 40 oder 50% seiner Kapazität entladen ist.  Dieser niedrige Spannungspunkt definiert die Entladungstiefe (DoD; Depth-of-Discharge). Eine vollständige Entladung des Akkus wird daher als 100% DoD angesehen, und die Lebensdauer ließe sich mit einem geringeren DoD-Prozentsatz messen. Eine weitere Änderung, die sich auf die Lebensdauer auswirken kann, ist das Absenken des oberen Spannungsendpunkts von 4,1 V auf einen niedrigeren Wert.

Der Grund für diese Änderungen sind verschiedene chemische Reaktionen, die in den Li-Ionen-Zellen stattfinden, zum Beispiel um den Elektrolyten abzubauen oder unlösliche Verbindungen auf der Anode abzuscheiden, wodurch sich deren Effizienz verringert. Solche Spannungsänderungen sorgen in der Praxis für einen überraschend großen Unterschied. Wird die obere und untere Spannungsgrenze auch nur geringfügig geändert, kann sich die Anzahl der Lade-/Entladezyklen während der Lebensdauer einer Batterie auf nur 20% oder sogar noch weniger verringern.

Obwohl es sich hier nur um kleine Schwankungen bei der Ladung und Spannung handelt, ist zu beachten, dass ein Akku im Feldeinsatz möglicherweise vollständig entladen wird. So kann ein Patient einfach vergessen, die Batterie zum richtigen Zeitpunkt zu laden, wodurch die Spannung zu tief abfällt, oder der Akku wird über einen längeren Zeitraum gelagert.

Kein Kapazitätsverlust dank Zero-Volt-Technologie

Bei vielen Lithium-Ionen-Batterien kann diese vollständige Entladung zu Schäden führen, die deren Einsatz stark beeinträchtigen. Enersys begegnet diesem Problem seiner »Zero-Volt-Technologie«, die sicherstellt, dass Batterien auch nach der Entladung auf 0 V noch mit maximaler Kapazität arbeiten. Bei der Prüfung der eigenen Quallion-Batterien konnte die Leistungsfähigkeit bei geringem Kapazitätsabfall während der Batteriezyklen auf Entladetiefen von 100% hinab auf 20% nachgewiesen werden. Das heiß, dass sich der Verlust an Batteriekapazität auch nach vielen Lade- und Entladezyklen minimiert.

Der Kapazitätsschwund lässt sich während des elektrischen Zyklus durch eine verringerte Lade-Endspannung (EoCV) noch weiter verbessern. Wird der EoCV-Wert vom empfohlenen Maximalwert 4,1 V auf den niedrigeren Wert 4 V geändert, erhöht sich die nutzbare Kapazität des Akkus. 

Betrachtet man 100% DoD, was in medizinischen Anwendungen häufig vorkommt, untersuchen die Tester die Lebensdauer des Akkus an dem Punkt, an dem 80% der anfänglichen Restkapazität erreicht sind. Diese Betriebszyklus-Lebensdauer wird von den meisten medizinischen Anwendungen angegeben. Dafür ist in der Regel eine Batterie erforderlich, die 500 bis 1000 Zyklen unter 100% DoD-Zyklusbedingungen unterstützt, während 80% der anfänglichen Restkapazität der Batterie erhalten bleibt.

Der Autor

Kevin Schrantz ist Director Global Medical bei Enersys

Das Unternehmen

Enersys produziert und vertreibt Reserve- und Antriebsbatterien, Batterieladegeräte, Stromversorgungen, Batteriezubehör und Gehäuse für Außenanlagen. Das Unternehmen mit Hauptsitz in Reading (Berks County, Pennsylvania) bietet seinen Kunden in über 100 Ländern über seine weltweiten Vertriebs- und Produktionsstandorte auch Aftermarket- und Kundendienstleistungen. Mehr Informationen finden Sie unter medical.enersys.com   

Anmerkung: Dieser Artikel erschien zuerst in der Printausgabe der medical design 3/2020.

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