Implementing zinc-air batteries in single-use clinical monitoring patches

Thumbnail Image

Files

master_Forssell_Ida_2025.pdf (4.31 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Electrical Engineering | Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2025-05-26

Department

Major/Subject

Microelectronic Circuit Design

Mcode

Degree programme

Master's Programme in Electronics and Nanotechnology

Language

en

Pages

70

Series

Abstract

In recent years, the interest in single-use electronics, particularly in the medical field, has increased due to their convenience and hygienic benefits. This thesis investigates the use of zinc-air batteries to power a single-use clinical monitoring patch. These batteries offer advantages such as environmental safety, affordability, compact size, long shelf life, and stable discharge voltage. However, challenges remain in monitoring battery depletion despite a stable voltage, optimising shelf life and operating conditions, and ensuring electrical isolation before activation. To evaluate the effects of different operational conditions, zinc-air batteries were discharged using various current profiles. Shelf life was studied by storing batteries under different conditions and analysing their degradation through x-ray computed tomography and discharge testing. Several lifetime estimation methods were explored, including coulomb counting and response time analysis via equivalent circuit simulations. The correlation between battery weight changes and lifetime was also investigated. Additionally, simulations were conducted to assess the feasibility of various on/off battery control circuits, focusing on functionality and leakage current performance. The longest lifetimes for zinc-air batteries were observed under constant current discharge, though fluctuating current profiles also proved viable, with lifetime only depending on the specific profile. Coulomb counting may be used for lifetime estimation if adjusted for battery aging, while response-time-based methods showed strong potential. Battery weight also correlated with discharge behaviour and could aid in estimating remaining life at assembly. X-ray imaging and discharge testing revealed that properly sealed storage methods can preserve battery function for up to two years. Several transistor-based switching circuits were shown to effectively isolate the battery when idle, though real-world testing is needed for validation. Overall, this thesis demonstrates that zinc-air batteries are a feasible power source for single-use clinical monitoring patches, provided their characteristics are well understood and managed.

Under de senaste åren har intresset för engångselektronik ökat särskilt inom den medicinska industrin tack vare deras praktiska och hygieniska fördelar. Detta diplomarbete undersöker användningen av zink-luftbatterier i engångssensorer avsedda för medicinsk övervakning. Dessa batterier erbjuder fördelar så som miljövänlighet, förmånlighet, liten storlek, goda lagringsegenskaper och stabil utgångsspänning. Däremot finns det utmaningar gällande övervakning av batteriets urladdning med en stabil utgångsspänning, optimering av lagringstid och operativa förhållanden samt elektrisk isolering av batteriet före sensorn aktiveras. För att utvärdera olika operativa förhållanden urladdades zink-luftbatterier med varierande strömprofiler. Batteriernas lagringstid undersöktes genom att förvara dem i olika förhållanden och sedan analysera dem med röntgenbaserad datortomografi och urladdningstest. Flera metoder, inklusive coulomb-räkning och responstidsanalys via en ekvivalent kretsmodell, utforskades för att uppskatta batteriernas livslängd. Sambandet mellan batteriets viktförändring och livslängd undersöktes också. Dessutom genomfördes simuleringar, med ett fokus på funktionalitet och läckageström, för att bedöma lämpligheten av olika batterikontrollkretsar. De längsta livstiderna för zink-luftbatterier uppnåddes då batterierna urladdades med konstant ström. Även varierande strömprofiler visade sig fungera, men då berodde livslängden på den specifika profilen. Coulomb-räkning är användbart om batteriets åldrande beaktas och responstidsmetoden visade stort potential. Batteriernas vikt visade ett samband med urladdningsbeteende och kan bidra till att uppskatta återstående livslängd vid montering. Röntgenbilder och urladdningstest visade att lagringsmetoder som effektivt skyddar mot omgivande luft kan bevara batteriets funktion i upp till två år. Flera transistorbaserade batterikontrollkretsar visade god förmåga i att isolera batteriet i viloläge, även om test i verkliga förhållanden krävs för att bekräfta resultaten. Detta diplomarbete visar övergripande att zink-luftbatterier är en lämplig strömkälla för engångssensorer avsedda för medicinsk övervakning, förutsatt att deras egenskaper förstås och hanteras korrekt.

Description

Supervisor

Halonen, Kari

Thesis advisor

Santala, Robert

Keywords

zinc-air battery, battery lifetime estimation, shelf life optimisation, discharge current, equivalent circuit simulation, battery control circuit

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202506164717

Collections

[dipl] Sähkötekniikan korkeakoulu / ELEC