Lithium-Batterien in der Medizin Stets die richtige Batterie wählen

Verschiedene Anwendungen stellen auch höchst unterschiedliche Anforderungen an Batterien. Manchmal brauchen sie nur sehr geringe Ströme, aber über einen sehr langen Zeitraum hinweg. Ein anderes Mal sind hohe Impulsströme nach längerer Lagerung nötig. Damit ist klar: Eine einzige Batterietechnologie kann all diese Anforderungen nicht abdecken.

Nachdem Lithium-Primärbatterien in den 1960er Jahren zunächst in Herzschrittmachern zum Einsatz kamen, versorgen sie heutzutage alle Arten von medizinischen Geräten mit Energie.

Darunter fallen beispielsweise automatische externe Defibrillatoren, chirurgische Sägen und Bohrer, Roboterinspektionssysteme, RFID-Funketiketten, Infusionspumpen, Knochenwachstumsstimulatoren, Blutzuckermessgeräte, Blutsauerstoffmessgeräte (Bild 1) und Kauter. Lithiumbatterien bieten die höchste spezifische Energie (Energie pro Masse) und die höchste spezifische Energiedichte (Energie pro Volumen) von allen Batteriearten.

Lithiumbatterien, die alle einen nicht-wässrigen Elektrolyten verwenden, haben eine nominale Leerlaufspannung zwischen 1,7 V und 3,9 V. Allerdings führt der Gebrauch von nicht-wässrigen Elektrolyten zu einem relativ hohen Innenwiderstand.

Außerdem arbeiten Lithiumbatterien in einem erweiterten Betriebstemperaturbereich. Dies ist möglich, weil Wasser fehlt und die verwendeten Materialien chemisch und physikalisch stabil sind.

Lithium-Thionylchlorid-Batterien (Li-SOCl2) bieten die höchste Temperaturtoleranz von allen (-55 °C bis +125 °C), sodass sie beispielsweise Sterilisationszyklen in Autoklaven schadlos überstehen. Zudem können sie so modifiziert werden, dass sie Temperaturen bis zu -80 °C standhalten. Dadurch lässt sich eine medizinische Kühlkette aufrechterhalten, indem die Batterie eine durchgehende Energieversorgung für die lückenlose Überwachung von Medikamenten, von zur Transplantation vorgesehenen Organen und von Gewebeproben (gefroren oder in Trockeneis verpackt) liefert.

Unterschiede bei Lithiumbatterien

Im Bereich der Lithiumbatterien gibt es zahlreiche konkurrierende Zusammensetzungen, die alle gewisse Vor- und Nachteile mit sich bringen. Diese sollen im Folgenden kurz vorgestellt werden (siehe auch Tabelle 1).

  • Li-MnO2 (Lithium-Mangan-dioxid):

Diese Batterien waren ursprünglich für Gebrauchsgegenstände wie Spielzeuge und Kameras vorgesehen, kommen aber auch in Blutzuckermessgeräten zum Einsatz. Li-MnO2-Batterien sind relativ kostengünstig und weisen eine hohe Impulsleistung auf, aber sie entladen sich sehr schnell selbst und besitzen eine geringe Energiedichte, was zu unhandlichen Geräten führt. Außerdem eignen sie sich nur für einen begrenzten Betriebstemperaturbereich von -10 °C bis +60 °C.

  • Li-SO2(Lithium-Schwefel--dioxid):

Diese Batterien, die man in bestimmten externen Defibrillatoren findet, können hohe Stromimpulse bei niedrigen Temperaturen liefern, sind aber tendenziell größer und schwerer als andere Lithiumbatterien. Li-SO2-Batterien leiden auch an einer hohen Selbstentladung, was ihre potenzielle Lebensdauer einschränkt.

  • Li-SOCl2 (Lithium-Thionylchlorid, LTC):

Diese Batterien eignen sich vor allem für Schwachstromanwendungen, bei denen ein gleichmäßiger kleiner Strom (einige Mikroampere bis zum niedrigen Milliamperebereich) über einen längeren Zeitraum hinweg benötigt wird. Sie besitzen eine hohe Energiedichte, eine hohe Kapazität und eine niedrige Selbstentladungsrate und haben eine Betriebszeit von mehr als 25 Jahren.

Bestimmte Bobbin-Type-Zellen lassen sich bei extremen Temperaturen zwischen -80 °C und +125 °C einsetzen. Eine Hybridversion der LTC-Batterie, die »PulsesPlus«-Batterie von Tadiran, kombiniert die Vorteile einer Lithium-Thionylchlorid-Batterie und eines Hybridschichtkondensators, um hohe Strompulse zu liefern. Diese Hybridbatterien eignen sich besonders für den Einsatz in automatischen externen Defibrillatoren (AED) und ähnlichen Anwendungen, die im Allgemeinen mit einem niedrigen Ruhestrom (Stromsparmodus) arbeiten, von Zeit zu Zeit aber einen stärkeren Stromimpuls (mehrere Ampere) benötigen. Außerdem lässt sich bei PulsesPlus-Batterien die Lebensdauer anzeigen.

Die Anzeige spricht an, wenn die Batterie 90 bis 95 Prozent ihrer Ursprungsladung verbraucht hat. Eine solche Lebensdaueranzeige kann bei kritischen Anwendungen von Nutzen sein, bei denen der Bereitschaftsstatus des Geräts permanent zu überprüfen ist.

  • Lithium-Metalloxid:

Lithium-Metalloxid-Batterien sind dafür ausgelegt, eine hohe Zellenspannung, hohe Energiedichte, sofortige Aktivierung und außergewöhnlich lange Lebensdauer bereitzustellen - auch unter extremen Temperaturen. Diese Batterien verfügen über eine Leerlaufspannung von 4,0 V mit hohen Stromimpulsen bis zu 15 A sowie einem Dauerstrom von 5 A bei 3,2 V. Die »TLM«-Serie von Tadiran findet häufig in Einweggeräten Anwendung, zum Beispiel in chirurgischen Handbohrern, Elektrowerkzeugen und Kautern. Sie bietet auch eine ergonomische Lösung, denn tragbare oder umschnallbare Geräte fallen dadurch so klein und leicht wie möglich aus.

Beispiele aus dem medizinischen Alltag

Die folgenden Fallstudien zeigen, warum Lithiumbatterien für bestimmte Anwendungen ideal sind. Fünf bis zehn Prozent der knapp 6 Millionen Knochenbrüche, die sich jährlich in den USA ereignen, heilen nur verlangsamt oder beeinträchtigt. Um das Knochenwachstum und damit den Heilprozess zu stimulieren, kommen Knochenwachstumsstimulatoren zum Einsatz.

Diese Geräte werden für gewöhnlich über der Bruchstelle festgeschnallt oder in den Gips integriert und senden schwache Ultraschallimpulse aus. Sie benötigen einen niedrigen Dauerstrom. Üblicherweise wird bei dieser Anwendung daher ein Batteriesatz aus Li-SOCl2-Zellen der Größe AA verwendet, um eine langfristige Energieversorgung sicherzustellen.

Aufgrund ihrer hohen Energiedichte werden weniger Batterien benötigt. Dadurch reduzieren sich Größe und Gewicht des Geräts. Dies ist wichtig, denn der Patient muss das Gerät ja mit sich herumtragen. Automatische externe Defibrillatoren (AED) benötigen eine niedrige Ruhespannung sowie periodische, niedrige Stromimpulse. Bei Aktivierung müssen sie aber sehr hohe Stromimpulse abgeben können.

AEDs sind tragbare Geräte, die dazu verwendet werden, bei Patienten mit Herzstillstand - ein plötzlich auftretender und potenziell tödlicher Zustand - wieder einen normalen Herzrhythmus herzustellen. Das Gerät analysiert automatisch den Herzrhythmus des Patienten und gibt dem Rettungshelfer Hinweise darauf, ob es nötig ist, dem Patienten einen Stromschlag zu verabreichen, um wieder einen normalen Herzschlag herzustellen.

AEDs werden zunehmend in öffentlichen Gebäuden installiert, zum Beispiel in Schulen, Restaurants, Flughäfen und Bürogebäuden. Dort ist unter Umständen keine fest installierte Wechselstromversorgung für ein dauerhaftes Aufladen der Batterien verfügbar. Diese abgelegenen Orte können auch extremen Temperaturen ausgesetzt sein, was die Leistungsfähigkeit der Batterie beeinträchtigen kann. Daher haben diese Geräte oftmals eine primäre Lithium-Batterie für einen zuverlässigen Langzeitbetrieb, und auch nach längeren Ruheperioden können sie starke Stromimpulsen abgeben.

So setzt zum Beispiel ein führender Hersteller von automatischen externen Defibrillatoren die PulsesPlus-Batterien von Tadiran ein, um die Starkstromimpulse zu liefern, die nötig sind, um das menschliche Herz zu stimulieren. Diese Batterie hat der Hersteller auch wegen ihrer extrem langen Lagerzeit (Selbstentladung von weniger als einem Prozent pro Jahr) und der Eigenschaft, extremen Temperaturen standzuhalten, ausgewählt. Das erhöht die Systemzuverlässigkeit, da Batteriefehler dazu führen können, dass ein Patient stirbt.