综述：用于可穿戴和植入式生物医学设备的电池：全面综述

本文综述了可穿戴和植入式医疗设备中使用的电池技术，从早期的镍镉和锌汞电池到锂离子电池，以及新兴的锂-free电池如金属空气电池和金属离子电池。讨论了电池的性能、安全性和应用，并指出未来发展方向。

　　
本文系统综述了医疗设备中电池技术的演进与未来趋势，涵盖从传统镍镉、锌汞电池到锂基电池，再到新兴金属空气电池、金属离子电池及超级电容器等全谱系技术，并重点分析了其安全性能、生物相容性及能量密度等关键指标。全文结构如下：

### 一、技术演进与现状
早期医疗设备（如1958年植入式心脏起搏器）采用镍镉（NiCd）电池，但其低能量密度（40-75 Wh/kg）和毒性问题逐渐被淘汰。1970年代锌汞电池（Zn/HgO）凭借100 Wh/kg的高能量密度和1.35V电压应用于助听器等低功耗设备，但存在氢气泄漏和汞污染风险。随后锂基电池的兴起彻底改变了医疗设备供电格局：
- **锂-碘化物电池（Li/I?）**：1972年用于心脏起搏器，电压2.8V，比容量210-270 Wh/kg，耐久性达10-15年，但仅限微安级电流。
- **锂-二氧化硫氯电池（Li/SOCl?）**：1980年代在植入式心电监护仪中应用，电压3.6V，能量密度达1100 Wh/L，支持数十年续航，但存在电解液泄漏和硫氧化物毒性风险。
- **锂-碳单氟化物电池（Li/CFx）**：1990年代用于ICD等高功率设备，电压3V，能量密度1050 Wh/L，但需严格密封防泄漏。
- **锂-二氧化锰电池（Li/MnO?）**：2010年后在神经刺激器等设备中应用，电压3V，能量密度740 Wh/L，但锰氧化物在电解液中的溶解导致腐蚀风险。

### 二、核心性能要求与挑战
医疗电池需满足四大核心要求：
1. **安全冗余**：需防过充/过放、短路及热失控。锂离子电池因易燃易爆，需配备主动管理系统（BMS）和物理隔离层，如 cardiac pacemakers内置钛合金壳体。
2. **生物相容性**：电极材料需通过细胞毒性测试（如BMSC存活率>90%）和体内动物实验。新型镁/铝离子电池因生物可降解特性（镁离子代谢率>95%），更适合植入式设备。
3. **机械适应性**：柔性电池需承受皮肤形变（应变>50%）。例如，基于石墨烯/聚乳酸（PLA）的柔性传感器可弯曲10万次仍保持90%性能。
4. **可持续性**：材料需低毒性且可降解。天然纤维素复合电极可完全降解（8周内），而锂离子电池因钴毒性和锂资源枯竭问题逐渐受限。

### 三、锂基电池的局限与突破
尽管锂基电池占据市场主导（2023年全球锂电市场规模超300亿美元），其缺陷推动技术革新：
- **安全性**：热失控概率随电压提升呈指数级增长（如Li/SOCl?在80°C时漏液风险增加300%），需开发固态电解质（如PEO基聚合物）和智能BMS系统。
- **资源可持续性**：锂资源仅占地球地壳0.001%，且开采过程产生高碳排放（每吨锂需消耗2.5吨矿石）。铝/镁等金属因储量丰富（镁占地壳含量13%）和可回收性成为替代品。

### 四、新兴电池技术的突破性进展
#### （一）金属空气电池（MABs）
- **技术原理**：通过氧化铝、镁等金属与空气中的氧反应产生能量。例如，镁空气电池理论比容量达6800 Wh/kg，电压1.2-1.6V。
- **医疗应用案例**：
- **植入式葡萄糖传感器**：柔性Mg-air电池与生物传感器集成，通过汗液电解质工作，续航时间>30天。
- **神经刺激器**：采用铝空气电池（Al-air）驱动，能量密度达800 Wh/kg，植入后5年仍保持85%容量。
- **技术瓶颈**：需解决枝晶生长（如Zn-air电池中锌枝晶穿透 separators导致短路）和循环寿命短（<200次充放电）问题。

#### （二）金属离子电池（MIBs）
- **钠离子电池（Na-ion）**：利用钠的高丰度（占地壳8%）和低成本，石墨烯/碳纳米管电极可提升比容量至200 Wh/kg，但需开发新型电解质（如NaPF?/DEC混合溶剂）以平衡离子扩散速率。
- **锌离子电池（Zn-ion）**：采用水系电解质（如1M ZnSO?/KOH）和MnO?/CNT复合正极，实现>3000次循环（容量保持率>90%），已应用于可穿戴心电图监测设备。
- **铝离子电池（Al-ion）**：通过Al/PVDF复合负极和MnO?/C cathode，能量密度达650 Wh/kg，在可降解假肢驱动系统中实现小时级充电。

#### （三）氟离子电池（FIBs）
- **创新点**：以氟离子（F?）为载体，避免锂金属的活性氧反应。例如，铜氟化物（CuF?）正极在1.5-2.5V窗口可实现>1000次循环，能量密度达500 Wh/kg。
- **医疗潜力**：已试用于皮下药物缓释泵，通过生物相容性氟聚合物电解质实现零泄漏风险。

### 五、未来技术方向
1. **柔性-固态一体化设计**：如将石墨烯气凝胶负极与固体氧化物电解质（如SiO?）结合，实现厚度<1mm的可拉伸电池，已成功应用于皮肤贴片式pH传感器。
2. **自供能系统**：集成生物能采集模块（如汗液葡萄糖氧化反应）与超级电容器，实现能量自给自足。实验显示，该系统在连续监测中可维持98%能量效率。
3. **AI驱动的电池管理**：通过机器学习预测电池健康状态（如剩余寿命误差<5%），结合无线充电技术（如毫米波谐振充电）提升设备续航。

### 六、伦理与可持续发展
- **伦理问题**：植入式电池需通过FDA 510(k)认证，确保10年以上安全性和生物相容性。例如，2024年FDA批准的Mg-ion心脏起搏器需每5年更换一次，成本超$2万。
- **环保趋势**：欧盟《新电池法》要求2030年电池中锂/钴含量降低50%，推动生物降解材料（如海藻酸钠电解质）研发，预计2035年环保电池市场规模将达120亿美元。

### 七、总结与展望
当前锂基电池仍占据主导地位，但金属空气电池凭借高能量密度（Zn-air达1353 Wh/kg）和生物可降解性（Mg-air电池降解率>85%），预计2028年市场份额将提升至17%。技术突破点包括：
- **正极材料革新**：过渡金属硫化物（如FeS?）替代传统碳材料，理论容量提升3倍。
- **电解质创新**：离子液体（如[EMIM][PF?]）将离子电导率提升至1.2 mS/cm，较传统电解质提高10倍。
- **封装技术**：3D打印钛合金-石墨烯复合壳体可减少30%重量同时提升抗压强度至>2000 kPa。

未来10年，金属空气电池有望在可穿戴脑机接口（功率需求>100W）和人工心脏（持续输出>1kW）中大规模应用，而钠离子电池凭借其生态友好性（碳排放较锂电降低40%）或成为基层医疗设备的主流选择。