Bekjempelse av miljøpåvirkninger i elektronikkomponentindustrien

Elektronikkindustrien har påvirket miljøet vårt og vil fortsette å ha innvirkning når det fortsetter å utvikle seg. På den positive siden har økende bruk av elektronikk i kraftproduksjon, belysning, motorstyring, sensorer og mange andre utrustninger gitt dramatiske forbedringer i energieffektivitet og muligheten til å overvåke og kontrollere miljøet vårt. På den negative siden har spredning av elektroniske produkter resultert i betydelig EE-avfall (elektronikkavfall) i deponiene våre, økt energibruk og utslipp av farlige materialer i miljøet. Men hva kan gjøres for å bekjempe problemet og tillate fortsatt fremgang langs denne revolusjonerende utviklingen for elektronikk? Flere nye ideer og trender utforskes i bransjen for å finne en løsning.

Lavere strømforbruk

En nyere trend knyttet til miljøpåvirkning og bærekraft, er ønsket om lavere strømforbruk. Det er ikke uvanlig at folk har fem eller seks batteridrevne enheter til enhver tid – tenk på en mobiltelefon, smartklokke, bærbar PC, nettbrett, smarte hodetelefoner med mer. Den generelle trenden i dette området er en vedvarende innsats for å produsere lavere strømbehov for disse enhetene. Lavere strømforbruk tillater mindre batterier og mindre enheter. En annen fordel med lavere strøm for enhetsbrukere er lengre tid mellom lading eller batteribytte.

En spesifikk trend som dukker opp er hvordan batteriene lades. Batterikjemier krever unike ladeprofiler for å maksimere batteriets levetid, og spesielt holde dem trygge, da det er kjent at noen kjemikalier eksploderer hvis de blir feil ladet. Lading har blitt en sofistikert operasjon, som krever overvåking av batteritemperatur, spenning og strøm med lukket sløyfe, variabel justering under ladesyklusen. Riktig lading øker også forventet batterilevetid. Etter hvert som nyere kjemikalier utvikles, forventes denne trenden for lading-raffinement å vedvare. Lengre batterilevetid bidrar til lengre bruk av en enhet og til slutt mindre e-avfall i deponiene våre.

Det er en grønn, organisk energilagringsteknologi som er populær, men ikke så gjennomgripende som batterier: superkondensatorer. De har ikke kapasitet eller langvarig lagringsevne for tradisjonelle batterier, men de kan lades mye raskere og kan opprettholde mange flere ladesykluser enn tradisjonelle oppladbare batterier. Siden superkondensatorer har en selvutladningstid som vanligvis måles i uker, må potensielle utrustninger ta hensyn til dette. Flere leverandører leverer nå superkondensatorer, og figur 1 viser eksempler påKEMET ssuper kondensator pakkealternativer. Noen enheter som bruker kondensatorer i stedet for batterier, kan til og med lades ved bruk av vanlig omgivelsesbelysning. Dette gjør enheten til en naturlig høsting av energi, og bruker lys som energikilde for regelmessig å lade en kondensator for å gi nyttige mengder energi. Bevegelse, varmeforskjell og lys er sannsynligvis de mest populære formene for energihøsting for tiden.

Figur 1: Ulike KEMET supercapacitor-pakkestiler. (Bildekilde: KEMET)

Energihøsting

Energihøsting er prosessen når energi er avledet fra eksterne kilder som solenergi, termisk energi, vindkraft og andre, og deretter blir fanget og lagret. Typiske utrustninger er små, trådløse autonome enheter som de som brukes i bærbare enheter og trådløse sensornettverk. Figur 2 illustrerer noen Littelfuse IXOLAR™ -solceller som vanligvis brukes til å drive elektriske enheter med lavt energiforbruk.

Figure 2: Littelfuse IXOLAR™-små solceller. (Bildekilde: Littelfuse)

Energihøsting går tilbake til vindmøllen og vannhjulet, men en pådriver for jakten på nye energihøstingsenheter er ønsket om å drive sensornettverk og mobile enheter uten batterier. Et populær og voksende brukstilfelle dreier seg om eksterne sensorer distribuert i felt, som er vanskelige og kostbare å betjene for batteribytte. Det er også betydelig interesse for energihøsting for å ta opp spørsmål om klimaendringer og global oppvarming.

DigiKey tilbyr mange typer evaluering og demonstrasjonskort for energihøsting, så vel som individuellestrømstyringsbrikker. Power Film sitt innendørs solcellesett (vist i figur 3) demonstrerer en komplett løsning og inkluderer deres innendørs solcellepaneler samt et energihøstings- og lagringsenergistyringsevalueringskort og oppladbart batteri. Evalueringskortet innlemmer Nordic’s nRF52832 BLE-modulen og Texas Instruments sitt BQ25570 energy energihøsting / kraftstyrings-IC.

Figur 3: Power Film sitt innendørs solcellesett. (Bildekilde: Power Film)

Engangs-tynnfilmbatterier

Et annet bærekraftig alternativ er fleksible, trykte, tynnfilmbatterier kjent som faststoff-tynnfilmbatterier (solid-state). Faststoff-batterier er akkurat det - faste (solide) - uten geleer eller væsker i strukturen. De er designet og produsert med veldig tynne lag eller filmer av materialer, konstruksjonen er noe av det som gjør dem så allsidige og attraktive for det markedet for føling for kroppsbårne enheter (wearables). Mange av disse faststoff-tynnfilmbatteriene oppfyller markedets behov for tynnhet og fleksibilitet, men de er ofte fremdeles produserte med litiumbaserte kjemikalier eller andre kjemikalier som gjør dem potensielt giftige for miljøet.

Den utbredte bruken og giftighet (toksisiteten) til visse batterier blir problematisk når man tar i betraktning den enorme mengden batterier som kastes hvert år. I takt med økningen av bærbare datamaskiner og smarttelefoner, har deres bidrag til mengden avfall som genereres hvert år også økt. Batterier er vanligvis ikke biologisk nedbrytbare, når de kastes steder de ikke skal, kan de risikere at frigjør giftige metaller og kjemikalier i bakken. Mange land har nå forskrifter rundt batterideponering og gjenvinning av utstyrsprogrammer. Disse programmene hjelper til med å resirkulere metallet fra batterier og kan bidra til å dempe de negative virkningene på miljøet av batterideponering. USA sin miljøvernmyndighet har et nettsted med en rekke initiativer og programmer for bærekraftig forvaltning av elektronikk.

Forskrifter om avhending av batterier, kombinert med det økende behovet for å drive strøm og koble flere enheter til tingenes internett (IoT), motiverer selskaper til å utforske trygge og bærekraftige alternativer til farlige batterikjemier. Molex sin linje med tynnfilmbatterier is one er en slik løsning (figur 4). I motsetning til «søskenbarnet» litiumbatteriet, er disse batteriene konstruerte med en sink-mangandioksidkjemi og er sikrere og mer praktisk for sluttbrukeren å avhende.

Figur 4: Molex sitt tynnfilmbatteri. (Bildekilde: Molex)

Virkelig bruk av tilfeller er med på å fremheve utrustninger der funksjoner som lavprofil, fleksibilitet, engangsbruk og lite fotavtrykk blir høyt verdsatt og hvor det kan forventes at tynnfilmsbatterimarkedet vil fortsette å vokse. Et spesielt interessant brukstilfelle, er å bruke tynnfilm-batterier i i smarttemperatur-merker med i UHF-båndet. Merkene er omtrent på størrelse med et kredittkort og litt tykkere enn vanlig skriverpapir. De brukes av logistikkjeden for for temeraturfølsomme produkter (kalde produkter), for eksempel farmasøytiske produkter, lett bedervelig matvarer og blomster. Disse smarte temperaturmerkene bruker en kombinasjon av teknologier, inkludert radiofrekvensbasert identifikasjon (RFID), intelligent temperaturføling og trykte tynnfilmbatterier for nøyaktig å spore tid og temperatur under transport, samt under lagring av produkter.

I tillegg eksperimentes det innen forbruker-, kosmetikk- og medisinmarkedene med utrustninger for tynnfilmbatterier. I krysningen mellom forbruker- og kosmetikkmarkedene er en elektrifisert øyemaskeutrustning. Masken har en mikro-strømanordning sammensatt av det fleksible, trykte batteriet, elektroder, klebende tape og et dekkark. Plassering av plasteret på huden skaper øyeblikkelig en strømsløyfe, og kosmetikken flyter fra de aktive elektrodene i masken til huden. Andre forbrukermarkedsutrustninger av tynnfilmbatterier er i bærbare elektroniske og sportsovervåkingsenheter, inkludert en lavenergisk Bluetooth (BLE)-sensorlapp som festes på siden av et golfkøllehode for å måle akselerasjon og vinkelhastighet. Medisinske bruksområder for engangs tynnfilmbatterier inkluderer diagnostiske, terapeutiske og overvåkningsenheter for pasienter.

I løpet av de siste tiårene har det blitt gjort store fremskritt i utviklingen av nye og forskjellige typer energikilder og batterier for å tilfredsstille en verden som stadig blir sulten på å drive de mange enhetene og utrustningene som er i bruk hver dag. Nylig har selskaper begynt å utvikle kondensatorer og batterier laget av materialer som er finnes i rikelige kvanta, er bærekraftige og trygge for både miljø og mennesker. Energihøsting av naturlig forekommende energier er en annen bærekraftig praksis som mange selskaper undersøker. Markeder som industrimarkeder, IoT (tingenes internett), forbrukermarkeder og medisinmarkeder har allerede eksperimentert og produsert produkter drevet av tynnfilmbatterier, superkondensatorer og energihøstede enheter. Mer utvikling er nødvendig for å øke kapasiteten og produserbarheten for disse metodene, men ett presserende spørsmål fortsetter å drive utviklere: –hvor kan disse metodene og fremgangsmåtene brukes i neste omgang?