Bekæmpelse af miljøpåvirkninger i elektronikindustrien

Elektronikindustrien har påvirket vores miljø og vil fortsætte med at få indflydelse, når det fortsætter med at udvikle sig. På den positive side har øget brug af elektronik i elproduktion, belysning, motorkontrol, sensorer og mange andre applikationer givet dramatiske forbedringer i energieffektivitet og evnen til at overvåge og kontrollere vores miljø. På den negative side har spredning af elektroniske produkter resulteret i betydelig e-affald i vores lossepladser, øget energiforbrug og frigivelse af farlige materialer i vores miljø. Men hvad kan man gøre for at bekæmpe problemet og muliggøre fortsatte fremskridt på denne elektroniske udviklingsvej? Flere nye ideer og trends undersøges i branchen for at finde en løsning.

Lavere strømforbrug

En nyere tendens relateret til miljøpåvirkningen og bæredygtighed er ønsket om lavere strømforbrug. Det er ikke ualmindeligt, at folk til enhver tid har fem eller seks batteridrevne enheder på dem - tænk på en mobiltelefon, smart ur, bærbar computer, tablet, smarte hovedtelefoner og mere. Den generelle tendens inden for dette område er en vedvarende indsats for at producere lavere effektbehov for disse enheder. Lavere strømforbrug giver mulighed for mindre batterier og mindre enheder. En anden fordel ved mindre strøm for enhedsbrugere er længere tid mellem opladning eller udskiftning af batteri.

En bestemt tendens er, hvordan batterier oplades. Batterikemi kræver unikke opladningsprofiler for at maksimere batteriets levetid og især holde dem sikre, da nogle kemikalier vides at eksplodere, hvis de bliver forkert opladet. Opladning er blevet et sofistikeret program, der kræver overvågning af batteriets temperatur, spænding og strøm med lukket sløjfe, variabel justering under opladningscyklussen. Korrekt opladning øger også forventet batterilevetid. Efterhånden som nyere kemikalier udvikles, forventes denne tendens til opladning af sofistikering at vare ved. Længere batterilevetid bidrager til længere brug af en enhed og i sidste ende mindre e-affald på vores lossepladser.

Der er en grøn, organisk energilagringsteknologi, der er populær, men ikke så udbredt som batterier: Superkondensatorer. De har ikke kapacitet eller langtidsopbevaringskapacitet for traditionelle batterier, men de kan oplades meget hurtigere og kan opretholde mange flere genopladningscyklusser end traditionelle genopladelige batterier. Da superkondensatorer har en selvafladningstid, der typisk måles i uger, skal potentielle applikationer tage dette i betragtning. Flere leverandører leverer nu superkondensatorer, og figur 1 viser eksempler på KEMET's super kondensator pakkeindstillinger. Nogle enheder, der bruger kondensatorer i stedet for batterier, kan endda oplades ved hjælp af normal omgivende belysning. Dette gør enheden til en naturlig energihøster, der bruger lys som energikilde til regelmæssigt at oplade en kondensator for at give nyttige mængder energi. Bevægelse, varmeforskel og lys er sandsynligvis de mest populære former for energihøstning i øjeblikket.

Figur 1: Forskellige KEMET supercapacitor-pakkeformater. (Billedkilde: KEMET)

Energihøstning

Energihøstning er den proces, hvor energi stammer fra eksterne kilder som solenergi, termisk energi, vindenergi og andre, og derefter fanges og lagres. Typiske applikationer er små, trådløse autonome enheder som dem, der bruges i bærbare enheder og trådløse sensornetværk. Figur 2 illustrerer nogle Littelfuse IXOLAR™ solceller, der typisk bruges til at drive små elektroniske enheder med lav effekt.

Figur 2: Littelfuse IXOLAR™ små solceller. (Billedkilde: Littelfuse)

Energihøstning går tilbage til vindmøllen og vandhjulet, men en drivkraft bag søgen efter nye enheder til energihøstning er ønsket om at drive sensornetværk og mobile enheder uden batterier. Et populært og voksende anvendelsestilfælde er at drive fjernsensorer, der er installeret i marken, og som er vanskelige og dyre at servicere til udskiftning af batteri. Der er også stor interesse for energihøstning for at løse problemerne med klimaændringer og global opvarmning.

DigiKey tilbyder mange typer evaluering og demonstrationskort for energihøstning såvel som individet strømstyringschips. Power Film's indendørs solsæt (vist i figur 3) demonstrerer en komplet løsning og inkluderer deres indendørs solpaneler samt et energihøstnings- og opbevaringsstyrings-evalueringskort og genopladeligt batteri. Evalueringsrådet indarbejder Nordisk's nRF52832 BLE-modul og Texas Instruments' BQ25570 energihøstning/strømstyring IC.

Figur 3: Power Film indendørs solsæt. (Billedkilde: Power Film)

Engangs tynde filmbatterier

En anden bæredygtig alternativ mulighed er fleksible, trykte tyndfilmbatterier kendt som solid-state tyndfilmbatterier. Solid-state batterier er netop det - faste - uden geler eller væsker inde i deres struktur. De er designet og fremstillet med meget tynde lag eller film af materialer, og deres tynde design er en del af det, der gør dem så fleksible og attraktive for det bærbare sensingmarked. Mange af disse tyndfilm-batterier i solid state opfylder markedets behov for tyndhed og fleksibilitet, men de er ofte stadig designet med lithiumbaserede kemikalier eller andre kemikalier, der gør dem potentielt giftige for miljøet.

Den udbredte anvendelse og toksicitet af visse batterier bliver problematisk, når man overvejer den store mængde batterier, der smides hvert år. Da efterspørgslen efter elektroniske enheder som bærbare computere og smartphones er steget, er deres bidrag til den mængde affald, der genereres hvert år, også steget. Batterier er normalt ikke biologisk nedbrydelige, og når de skødes forsigtigt, kan de risikere at frigive giftige metaller og kemikalier i jorden. Mange lande har nu regler om bortskaffelse af batterier og tilbyder genbrugsprogrammer. Disse programmer hjælper med at genbruge metallet fra batterier og kan hjælpe med at dæmpe den negative indvirkning af bortskaffelse af batteri på miljøet. De Forenede Staters miljøbeskyttelsesagentur vedligeholder et websted med en række initiativer og programmer til bæredygtig styring af elektronik.

Bestemmelser om bortskaffelse af batterier kombineret med det stigende behov for strøm og tilslutning af flere enheder til tingenes internet motiverer virksomheder til at undersøge sikre og bæredygtige alternativer til farlige batterikemikalier. Molex's linje af tyndfilmbatterier er en sådan løsning (figur 4). I modsætning til deres fætre med lithiumbatterier er disse batterier designet med en zink-mangandioxidkemi og er sikrere og mere bekvemme for slutbrugeren at bortskaffe.

Figur 4: Molex tyndfilmbatteri. (Billedkilde: Molex)

Virkelige brugssager hjælper med at fremhæve applikationer, hvor funktioner som lavprofil, fleksibilitet, disponibilitet og lille fodaftryk er højt værdsat, og hvor det kan forventes, at markedet for tyndt filmbatteri vil fortsætte med at vokse. En særlig interessant brugstilstand er at bruge tyndfilmbatterier i smarte temperaturmærker med ultrahøjfrekvens (UHF). Mærkerne er omtrent på størrelse med et kreditkort og lidt tykkere end almindeligt printerpapir. De bruges af kolde kædelogistikchefer til temperaturfølsomme produkter, såsom farmaceutiske produkter, letfordærvelige fødevarer og blomster. Disse smarte temperaturmærker bruger en kombination af teknologier, herunder radiofrekvensidentifikation (RFID), intelligent temperaturføling og trykte tyndfilmbatterier til nøjagtigt at spore tid og temperatur under transport og opbevaring af produktet.

Derudover eksperimenterer forbruger-, kosmetik- og medicinske markeder med applikationer til tyndfilmbatterier. Ved krydset mellem forbruger- og kosmetikmarkederne er en elektrificeret ansigtsmaskeapplikation. Masken har en mikrostrømsenhed, der består af det fleksible trykte batteri, elektroder, selvklæbende tape og et afdækningsark. Placering af plasteret på huden skaber øjeblikkeligt en strømsløjfe, og det kosmetiske flyder fra de aktive elektroder i masken til huden. Andre forbrugermarkedsanvendelser af tyndfilmbatterier findes i bærbare elektroniske enheder og sportsovervågningsenheder, herunder et Bluetooth BLE (Bluetooh Low Energy) sensorpatch, der kan fastgøres til siden af et golfklubhoved for at måle acceleration og vinkelhastighed. Medicinske applikationer til tyndfilmbatterier til engangsbrug omfatter patientdiagnostiske, terapeutiske og overvågningsenheder.

I de sidste mange årtier er der taget store fremskridt i udviklingen af nye og forskellige typer energikilder og batterier for at tilfredsstille en verden, der bliver mere og mere sulten til at drive de mange enheder og applikationer, der er i brug hver dag. For nylig er virksomheder begyndt at udvikle kondensatorer og batterier lavet af materialer, der er rigelige, bæredygtige og sikre for både miljøet og mennesker. Energihøstning af naturligt forekommende energier er en anden bæredygtig praksis, som mange virksomheder udforsker. Markeder som industri, tingenes internet, forbruger og medicinsk har allerede med succes eksperimenteret og produceret produkter, der drives af tyndfilmbatterier, superkondensatorer og energihøstede enheder. Der er behov for mere udvikling for at øge kapaciteten og fremstillingsevnen af disse metoder, men et presserende spørgsmål fortsætter med at drive udviklere: hvor kan disse metoder og fremgangsmåder anvendes næste?