Energieversorgung medizinischer Sensorik

Gliederung

1. Aufbau und Funktionsweise von Akkus

2. Akku Arten

3. Batterie Arten

4. Vergleich: Akku, Batterien

5. Anwendungsbeispiele für Akkus und Batterien in der medizinischen Sensorik

6. Energy Harvesting

7. Verwendete Quellen

1. Aufbau und Funktionsweise von Akkus

1.1. Aufbau von Akkumulatoren

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Akkus bestehen immer aus Elektroden, die in eine Elektrolytlösung eingetaucht sind (Abbildung 1).

Den Stromfluss bewirkt eine Stromquelle, die als G wie Generator dargestellt ist.

1.2. Funktionsweise von Akkumulatoren

Beim Laden lässt man einen Strom durch den Akku fließen (Abbildung 1). Den Stromfluss bewirkt eine Stromquelle, die als Generator dargestellt ist. Dadurch entsteht eine chemische Reaktion, wobei sich die beiden Elektroden chemisch verändern. Welche Reaktionen das genau sind, ist vom jeweiligen Akku typ abhängig.

Nach einer bestimmten Zeit haben die Elektrolyte nicht mehr genug Elektrodenmaterial, um eine Reaktion zu bewirken. Ab diesem Zeitpunkt wird der Akku nicht weiter geladen sondern die Elektrolytlösung zerfällt.

Da es sich fast immer um wässrige Elektrolyte handelt, spaltet sich das darin enthaltene Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff. Außerdem verringern dann die ablaufenden chemischen Reaktionen, die nutzbare Kapazität des Akkus. Darum sollte man bei der vollständigen Ladung des Akkus den Ladevorgang sofort beenden.

Ist der Akku geladen, kann man im Idealfall genauso viel Ladung entnehmen, wie zuvor aufgeladen wurde. Der reale Wirkungsgrad liegt allerdings zwischen 80% bis knapp unter 100% die später verwendbar sind

2. Akku Arten

2.1. Bleiakkumulatoren

Eigenschaften des Blei-Akkus:

- Wartungsfreier Betrieb
- Lange Lebensdauer > 5 Jahre
- 100% recycle bar

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.2. Nickelcadmiumakkus (NiCd)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.3. Nickelmetallhydridakkus (NiMH)

Eigenschaften:

- Doppelte Energiedichte wie Nickelcadmiumbatterien

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.4. Lithium-Ionen-Akkus

Eigenschaften:

- Hohe Energiedichte
- Kein Memory-Effekt
- Hohe Zuverlässigkeit

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

3. Arten von Batterien

Primärbatterien sind nach wie vor einer der wichtigsten Energieträger in der Medizintechnik. Am Beispiel von implantierbaren Schrittmachern sollen nun einige Batterietypen kurz vorgestellt werden.

Heutige im Einsatz befindliche Schrittmacher haben einen typischen Energiebedarf von ca. 10-30 pJ pro Stimulationsimpuls und benötigen somit weitaus weniger Energie als z.B. ICDs die Schocks mit 10-40J abgeben. Weiterhin liefern sie zwischen 2-4V bei ca. 2-3 pA Strom und ca. 2Ah Nennladung

Seit der ersten Einführung von Lithiumbatterien im Jahr 1975 gab es einige weitreichende Entwicklungen auf dem Gebiet von Primärbatterien.

Die bis dahin typisch eingesetzten Quecksilber Zink Batterien konnten ersetzt werden, da Lithium Batterien eine weitaus höhere Lebensdauer sowie geringere Selbstentladung besaßen. (10% Kapazitätsverlust über 5 Jahre).

Allgemein lassen sich folgende Lithiumbatterien unterscheiden: Flüssigkathodenzellen, Zellen mit festen Kathoden sowie Festelektrolytzellen.

Der Vorteil von Flüssigkathodenzellen (z.B. Lithiumschwefel Batterien) liegt in der hohe Energiedichte von ca. 280-350 Wh/kg und der besseren Entladungsraten als Festkathodenzellen (z.B. aus Lithiummanganoxid).

Als größerer Nachteil ist das unter hohen Druck eingebrachte Schwefel zu sehen, dass sowohl ein Sicherheitsventil als auch Maßnahmen zur Explosionsvermeidung dringend erforderlich macht und somit eine Verwendung in Medizinprodukten nahezu ausschließt.

Festkathodenzellen besitzen wiederum eine ähnliche Energiedichte wie Lithiumschwefelbatterien sofern sie einer langen Entladungsrate (z.B. bei 0,05C) ausgesetzt sind.

Durch die geringe Selbstentladung werden Festkathodenzellen häufig als Backupbatterien eingesetzt.

Lithiumbatterien mit Festelektrolyt (z.B. Li-Iod Batterien) sind besonders durch ihre sehr lange Lebenszeit hervorzuheben, die bis zu 20 Jahren betragen kann. Es lassen sich allerdings nur sehr geringe Ströme im Mikroamperebereich entnehmen, was allerdings für die Verwendung für Schrittmachen, wie oben kurz beschrieben, völlig ausreichend ist.

Auf Grund dieser Eigenschaften hat sich die Lithium Iod Batterie seit der ersten Implantierung 1972 weitestgehend durchgesetzt und kam in über 5 Millionen implantierten Schrittmachern zum Einsatz.

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