聚焦技术前沿|能源电池管理技术如何应用于便携式医疗设备

随着全球老龄化加速及家庭医疗需求激增，便携式医疗设备如制氧机、可穿戴监护仪等已成为健康管理的重要工具。这些设备的广泛应用对下一代电池提出了安全性、能量密度、功率密度、寿命和温度窗口的更高要求（3H1L1W）。

近日，玖牛医疗创始人陈庆、首席技术官刘崇文以及西湖大学王建辉教授，就能源电池管理这项前沿技术展开了探讨，聚焦如何通过前沿技术优化能源管理，助力智慧医疗设备的创新发展。

图：左-王建辉中-刘崇文右-陈庆

随着医疗技术向便携化、智能化和家庭化发展，各类可于院外场景中使用的医疗设备不断涌现，比如便携式多参数监护仪、监护仪电池呼吸器、蓝牙血压计、医疗除颤监护仪、医疗除颤监护仪、心电图机等。在此背景下，电池作为便携式医疗设备的“心脏”，其性能直接影响设备的可用性与安全性。

电池续航与能量密度矛盾

便携式医疗设备需长时间连续运行，但传统锂离子电池容量受限，且续航易受温度波动、负载变化及老化影响。例如，制氧机若采用电解水技术，功耗高达200W以上，需频繁充电；而分子筛制氧虽功耗较低（约50W），仍需依赖高效电池管理以延长续航。

安全性与体积限制

电池老化与温度波动易引发电压不稳，影响设备可靠性。例如，一次性心电图贴片需锂锰电池（LMO）在5天内稳定供电，其高比能量（280 Wh/kg）与低内阻特性成为优选，但需多级DC/DC转换器调节电压，增加设计复杂度。此外，小型化需求与电池容量正相关，CR2032纽扣电池容量仅235mAh，难以支撑高功耗设备，而固态电池虽能量密度更高，目前成本与量产技术尚未成熟。

前沿技术分享一：不对称供体-受体分子调控的核壳溶剂化电解质用于高压水性电池

Jianhui Wang、Shi Liu团队提出了基于不对称供体-受体分子的水性电解质设计，并开发了全非易燃成分的新型核壳溶剂化水性电解质。

不对称供体-受体分子（如甲基脲）可通过调节水性电解质的氢键网络，形成独特的纳米级核壳状溶剂化结构。这一结构不仅突破了水中锂盐溶解度的物理限制，还能有效抑制低电位（相对于Li⁺/Li为0.5 V）下的析氢反应。该方法真正继承了水性电解质的高安全性，并在不牺牲成本效益的前提下显著扩展了电化学稳定窗口。

团队通过混合非易燃甲基脲，报道了一种全非易燃成分的水性电解质。结这种结构不对称的甲基脲分子同时具有供体和受体官能团，能有效调节电解质的氢键网络，形成独特的纳米级核壳状溶剂化簇。这种特殊的溶液结构使电解质在局部区域形成超高盐浓度环境，并在0.5 V(相对于Li⁺/Li)电位下有效抑制析氢反应(HER)，实现了高达4.5 V的电化学稳定窗口。

在低电解液负载、无过量锂资源（负极/正极容量比N/P≥1）、无电极预涂层和常规铝集流体的苛刻测试条件下，该电解质实现了摇椅式NbO₂|LiMn₂O₄全电池（~175 Wh kg⁻¹）的稳定循环，同时保持安全性。

图：结构对比与电位分析

（来源：ACS Publications）

前沿技术分享二：通过供体数（DN）设计局部高浓度电解质

盐浓缩电解质（Salt-concentrated electrolytes）虽具备超越传统稀电解质的性能优势，但其高成本与高粘度限制了实际应用。Jianhui Wang团队通过引入第二溶剂作为稀释剂，可在维持盐浓缩电解质局部溶液结构的同时降低盐含量，从而形成局部高浓度电解质（ LHCEs）基于对500余个样本的系统研究，发现：

1.溶剂的介电常数（电解质设计中广泛应用的参数）无法作为稀释剂的有效筛选标准；

2.供体数（Donor Number, DN）是构建LHCE结构的关键设计参数——即主溶剂需满足DN > 10，稀释剂需满足DN ≤ 10。

遵循此规则，开发了一种新型LHCE，采用低成本间氟甲苯（m-fluorotoluene）作为稀释剂，使锂金属电池实现了>4.6 V的高电压与−40~100°C的宽温域运行。

（来源：ACS Publications）