Bekämpa miljöpåverkan i elektronikindustrin

Elektronikindustrin har påverkat vår miljö och kommer att fortsätta att påverka när den fortsätter att utvecklas. På den positiva sidan har ökad användning av elektronik i kraftgenerering, belysning, motorstyrning, sensorer och många andra applikationer gett dramatiska förbättringar av energieffektiviteten och förmågan att övervaka och styra vår miljö. På den negativa sidan har spridningen av elektroniska produkter resulterat i stora mängder elektroniskt avfall på deponi, ökad energianvändning och utsläpp av farliga ämnen i miljön. Vad kan göras för att bekämpa problemet och möjliggöra fortsatta framsteg inom elektronikutveckling? I branschen prövas många nya idéer och trender för att hitta lösningar.

Lägre energiförbrukning

En nyare trend relaterad till miljöpåverkan och hållbarhet är önskan om lägre energiförbrukning. Det är inte ovanligt att människor har fem eller sex batteridrivna enheter igång hela tiden - kanske en mobiltelefon, smart klocka, bärbar dator, surfplatta, smarta hörlurar m.m. Den allmänna trenden inom detta fält är en långsiktig ambition att försöka uppnå lägre effektbehov för dessa enheter. Lägre strömförbrukning möjliggör mindre batterier och mindre enheter. En annan fördel med lägre strömförbrukning för användare är att laddningen eller batterierna håller längre.

En specifik trend som syns är hur batterier laddas. Batterikemikalier kräver unika laddningsprofiler för att maximera batteriets livslängd och speciellt hålla dem säkra eftersom det är känt att vissa kemiska sammansättningar exploderar om de felaktigt laddas. Laddning har blivit en sofistikerad tillämpning som kräver övervakning av batteritemperatur, spänning och ström med sluten återkoppling och variabel justering under laddningscykeln. Korrekt laddning ökar också batteriets förväntade livslängd. I takt med att nyare kemiblandningar utvecklas, förväntas trenden med en mer förfinad laddning att fortsätta. Längre batteritid bidrar till längre användning av en produkt och i slutändan mindre elektroniskt avfall på deponi.

Det finns en miljövänlig, organisk energilagringsteknik som är populär, men inte så utbredd som batterier: superkondensatorer. De har inte kapaciteten eller den långvariga lagringsförmågan hos traditionella batterier, men de kan laddas mycket snabbare och kan hålla många fler laddningscykler än traditionella uppladdningsbara batterier. Eftersom superkondensatorer har en självurladdningstid som vanligtvis räknas i veckor, måste eventuella användningsområden ta hänsyn till detta. Flera leverantörer erbjuder nu superkondensatorer och figur 1 visar exempel på KEMET:s superkondensator-alternativ. Vissa produkter som använder kondensatorer istället för batterier kan t.o.m. laddas med vanlig omgivningsbelysning. Detta gör enheten till en naturlig energiåtervinnare som använder ljus som en energikälla för att regelbundet ladda en kondensator som ger användbara energimängder. Rörelse, värmedifferens och ljus är förmodligen de mest populära formerna för att utvinna energi för närvarande.

Figur 1: KEMET:s olika superkondensatorutföranden. (Bildkälla: KEMET)

Energiutvinning

Energiutvinning är en process där energi från externa källor, som solenergi, termisk energi, vindkraft m.m., fångas upp och lagras. Typiska tillämpningar är små, trådlösa autonoma enheter som de som används i bärbar elektronik och trådlösa sensornätverk. Figur 2 visar några Littelfuses IXOLAR ™-solceller som vanligtvis används för att driva små elektronikprodukter med låg effekt.

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

Energiutvinning har funnits sedan väderkvarnen och vattenhjulet, men en drivkraft bakom sökandet efter nya enheter för att utvinna energi är att kunna driva sensornätverk och mobila produkter utan batterier. Ett populärt och växande användningsområde är att driva fjärrsensorer utplacerade i fält, vilka är svåra och dyra att byta batterier på. Det finns också ett stort intresse att utvinna energi för att bidra till att kampen mot klimatförändringarna och den globala uppvärmningen.

DigiKey erbjuder många typer av utvärderings- och demonstrationskort för energiutvinning, och separata energihanteringskretsar. Power Films inomhussolmodul (visas i figur 3) visar en komplett lösning som inkluderar deras inomhussolpaneler samt ett utvärderingskort för energiutvinning och -lagring samt ett uppladdningsbart batteri. Utvärderingskortet innehåller Nordics nRF52832 BLE-modul och Texas instruments BQ25570-krets för energiutvinning och effekthantering.

Figur 3: Power Film inomhussolmodul. (Bildkälla: Power Film)

Engångsbatterier av tunnfilm

Ett annat hållbart alternativ är flexibla, tryckta tunnfilmsbatterier som kallas solid state-tunnfilmsbatterier. Solid state-batterier är just det - i fast tillstånd - utan gele eller vätskor inuti strukturen. De är utvecklade och tillverkade med mycket tunna skikt eller filmer av material, och deras tunna design är en del av vad som gör dem flexibla och attraktiva för marknaden för bärbara sensorprodukter. Många av dessa solid state-tunnfilmsbatterier uppfyller marknadens behov av tunnhet och flexibilitet, men de är ofta fortfarande utformade med litiumbaserade kemikalier eller andra kemisammansättningar som gör dem potentiellt giftiga för miljön.

Den utbredda användningen och toxiciteten hos vissa batterier blir problematisk med tanke på den stora mängden batterier som kastas varje år. Eftersom efterfrågan på elektroniska enheter som bärbara datorer och smartphones har ökat, har deras bidrag till avfallsmängden som genereras varje år ökat. Batterier är i allmänhet inte biologiskt nedbrytbara, och om de kastas bort utan korrekt hantering finns det en risk för att giftiga metaller och kemikalier når ut i marken. Många länder har numer infört lagstiftning om batterimhändertagande och erbjuder återvinningsprogram. Sådana program hjälper till att återvinna metallen i batterierna och kan bidra till att motverka de negativa miljökonsekvenserna med batteriavfall. USA:s miljöskyddsmyndighet har en webbplats med ett antal initiativ och program för hållbar hantering av elektronik.

Regler för slutomhändertagande av batterier i kombination med det ökande behovet av att driva och ansluta fler enheter till sakernas internet, motiverar företag att utforska säkra och hållbara alternativ till farliga batterikemikalier. Molex sortiment med tunnfilmsbatterier är en sådan lösning (figur 4). Till skillnad från sina kusiner litiumbatterierna, är dessa batterier konstruerade med en zink-mangandioxid-sammansättning och är säkrare och enklare för slutanvändare att kassera.

Figur 4: Molex tunnfilmsbatteri. (Bildkälla: Molex)

Verkliga användningsfall kan bidra till att lyfta fram användningsområden där funktioner som låg profil, flexibilitet, kassationsmöjlighet och kompakt storlek är mycket uppskattade och där det kan förväntas att marknaden för tunnfilmsbatterier kommer att fortsätta växa. Särskilt intressant är användning av tunnfilmsbatterier i smarta temperaturtaggar i det ultrahöga frekvensbandet (UHF). Taggarna har ungefär samma storlek som ett kreditkort, och är obetydligt tjockare än ett vanligt skrivarpapper. De används inom kylkedjelogistik för temperaturkänsliga produkter, såsom läkemedel, känsliga livsmedel och blommor. Dessa smarta temperaturtaggarna använder en kombination av tekniker, inklusive radiofrekvensidentifiering (RFID), intelligent temperaturavkänning och tryckta tunnfilmsbatterier för att noggrant spåra tid och temperatur under transport och lagring av produkter.

Även inom konsumentmarknader som kosmetika- och läkemedelsbranschen experimenterar man med att använda tunnfilmsbatterier. I skärningspunkten mellan konsument- och kosmetikamarknaden finns en elektrisk ögonmask. Masken har en anordning för mikroströmmar bestående av det flexibla tryckta batteriet, elektroder, tejp och ett täckark. Placeringen av plåstret på huden skapar omedelbart en strömslinga och hudvårdsprodukten flödar från de aktiva elektroderna i masken till huden. Andra konsumenttillämpningar för tunnfilmsbatterier finns i bärbara elektroniska produkter och sportövervakningsenheter, bl.a. en strömsnål Bluetooth-sensor (BLE) som fixeras på sidan av ett golfklubbshuvud för att mäta acceleration och vinkelhastighet. Som exempel på medicinska tillämpningar med tunnfilmsbatterier för engångsbruk kan nämnas patientdiagnostik och anordningar för behandling och övervakning.

Under de senaste decennierna har stora framsteg gjorts i utvecklingen av nya och olika typer av energikällor och batterier för att tillfredsställa en värld som blir alltmer hungrig att driva de många produkter och komponenter som används varje dag. Nyligen har företag börjat utveckla kondensatorer och batterier tillverkade av material som rikligt tillgängliga, hållbara och säkra för både miljö och människor. Energiutvinning av naturligt förekommande energi är en annan hållbar metod som många företag utforskar. Marknader som industri, sakernas internet, konsumentprodukter och medicinteknik har redan framgångsrikt experimenterat och tillverkat tunnfilmsbatteridrivna produkter, superkondensatorer och energiutvinnande produkter. Mer utveckling behövs för att öka kapaciteten och tillverkningsbarheten hos dessa metoder, men en pressande fråga fortsätter att driva utvecklare: var kan dessa metoder och metoder användas härnäst?