SEK | EUR | USD

Grundläggande om batterier: Omställning till miljövänlig teknik

Det är ganska troligt att du som läser det här blogginlägget har vuxit upp i ett hem där det alltid fanns en extra förpackning AA-batterier, och att du använt sådana i din digitalkamera och dina Nintendo Game Boy-enheter. Och du har säkert också upplevt att du eller dina föräldrar köpte små runda cellbatterier till armbandsklockan. Batterier används fortfarande överallt. Vi använder dem i fjärrstyrda leksaker, rökdetektorer, läsplattor och smarttelefoner. Nya marknadstrender driver också på nya batteritillämpningar som ställer nya krav, till exempel på säkert bortskaffande. Sensorer för kontinuerlig glukosövervakning (CGM-system), smarta etiketter för paketleveranser och betalkort med ändringsbara PIN-displayer är bara några exempel på nya batteritillämpningar där säkert bortskaffande är högt prioriterat.

Primära kontra sekundära cellbatterier

Varför gör vi denna tillbakablick och framtidsspaning? Om du känner igen något av det vi har nämnt ovan, minnesbilderna eller de nyare produkterna, vet du redan något om de två vanligaste batterikategorierna: primära och sekundära. Primära cellbatterier är inte laddningsbara. AA-batterierna som du använde i din gamla digitalkamera eller cellbatteriet CR2032 i myntstorlek som din pappa hade i klockan är exempel på primära cellbatterier. Som kontrast kan nämnas att det litiumjonbatteri som troligen sitter i din smarttelefon är laddningsbart. Batterier som är laddningsbara brukar kallas sekundära cellbatterier. Sammanfattningsvis:

  • Primära cellbatterier: icke laddningsbara; några exempel är alkaliska batterier och litiumbatterier
  • Sekundära cellbatterier: laddningsbara; några exempel är litiumjon (Li-ion), nickelkadmium (NiCd), nickelmetallhdydrid (NiMH) osv.

Båda batterityperna ger mycket energi i förhållande till sin ringa storlek, men de har också nackdelar både energi- och miljömässigt. Ett exempel är att primära cellitiumbatterier historiskt sett har haft en högre energidensitet än sina laddningsbara motsvarigheter med litiumjon men att de måste kasseras efter bara en användning (Sciencing). Och även om ett sekundärt cellbatteri vid första anblicken kan verka bättre för miljön eftersom det kan laddas upp, blir det ineffektivt efter att ha laddats upp många gånger och behöver då kasseras.

Tunnfilmsbatterier för engångsbruk: Ett hållbart alternativ

(Bildkälla: Molex)

Det finns många olika underkategorier och typer av batterier, men en vrå av batterivärlden som har rönt allt större intresse på grund av utvecklingen inom Sakernas internet (IoT), den bärbara tekniken och miljösensorer är de flexibla, tryckta tunnfilmsbatterierna (IDTechEx). För enkelhetens skull fokuserar vi här generellt på de flexibla, tryckta tunnfilmsbatterier som kallas solid-state (med halvledare). Det här namnet berättar lite mer om den typ av batteri som vi tänkte ta upp. Solid-state-batterier är precis som det låter helgjutna utan någon gel eller vätska inuti strukturen (Qnovo). Tunnfilmsbatterier konstrueras och tillverkas av mycket tunna skikt eller filmer av materialet, och det är just denna tunna design som gör dem så flexibla och lockande för den bärbara sensorteknikmarknaden. Många av dessa tunnfilmsbatterier med halvledare möter marknadens behov av tunna och flexibla enheter, men de bygger fortfarande ofta på en litiumbaserad kemi eller liknande som potentiellt kan skada miljön.

Den spridda användningen och toxiciteten hos vissa batterier blir ett problem när vi tänker på hur många batterier som kasseras årligen. I takt med att efterfrågan på elektroniska enheter som bärbara datorer och smarttelefoner ökar, ökar också deras andel av allt det avfall som genereras varje år (Sciencing). 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 numera infört lagstiftning om batterikassering och erbjuder återvinningsprogram. Sådana program hjälper till med att återvinna metallen i batterierna, och de kan bidra till att motverka de negativa konsekvenserna av batteriavfall på miljön.

Lagar om batterikassering tillsammans med det ökande behovet av energi och en önskan om att ansluta ännu fler enheter i takt med att Sakernas internet utvecklas, motiverar företag att försöka hitta säkra och hållbara alternativ till de farliga batterikemikalierna. Molex nya serie med tunnfilmsbatterier är ett exempel på en sådan lösning. Till skillnad från de besläktade litiumbatterierna bygger dessa batterier på en zink-mangandioxidkemi, och de är säkrare och bekvämare att kassera för slutanvändaren.

Jämförelse mellan batterier: fördelar och nackdelar med tunnfilmsbatterier

Om man förstår fördelarna och begränsningarna med tunnfilm av zink-mangandioxid inser man också på vilka typer av användningsområden de fungerar bäst jämfört med andra batterier såsom de närbesläktade litiumbatterierna. Som visas i diagrammet nedan, framgår det klart vid kapacitetsjämförelser att Molex tunnfilmsbatterier av zink-mangandioxid ger mest värde i tillämpningar med låga kapacitetskrav och där säker och bekväm kassering är högt prioriterat.

(Bildkälla: Molex)

Det som inte visas i diagrammet ovan är den aktuella kostnaden för tunnfilmsbatterier jämfört med exempelvis ett cellbatteri av myntstorlek som CR2032 3 V. En snabb sökning på det här cellbatteriet på webbplatser för distributörer av elektronikkomponenter visar att det kan köpas för ett pris på en dollar i mindre volymer, och för under 50 cent i större volymer. Detta ska jämföras med tunnfilmsbatteriet där försäljningspriset fortfarande räknas i dollar kontra cent. Skillnaden i pris kan tillskrivas den mogna marknaden för cellbatterier, men också att det säljs i så stora volymer över hela världen. Många års utveckling återstår innan tunnfilmsbatterier kan tävla med så låga tillverkningskostnader eller den höga efterfrågan som gäller för cellbatterier.

Det är även värt att notera var Molex Zn-MnO2-batteri slår andra batterier som har samma kemiska egenskaper. Som du kan se i diagrammet nedan är deras kemi identisk, men Molex tunnfilmsbatterier slår sina tunnfilmskonkurrenter både när det gäller kapacitet och maximal toppeffekt.

(Bildkälla: Molex)

Tunnfilmsbatterier i praktiken

Verkliga användningsfall kan visa i vilka tillämpningar som egenskaper som låg profil, flexibilitet, enkelt bortskaffande och litet avtryck värderas högst, och det är där vi kan förvänta oss att marknaden för tunnfilmsbatterier kommer att fortsätta växa. Som tidigare nämnts har tunnfilmsbatterier börjat röna större intresse i takt med utvecklingen inom Sakernas internet och industritillämpningar såsom smart etikettering och taggning, övervakning av lättförstörbara varor och miljösensorer. Särskilt intressant är användningen av tunnfilmsbatterier i smarta temperaturtaggar i UHF-bandet. Taggarna har ungefär samma storlek som ett kreditkort, och är obetydligt tjockare än ett vanligt skrivarpapper. De används inom logistikkedjan för kalla produkter under hantering av temperaturkänsliga produkter som läkemedel, lättförstörbara varor och blommor (Enfucell). Dessa smarta temperaturtaggar använder en kombination av olika tekniker, bland annat RFID, intelligent temperaturavkänning och tryckta tunnfilmsbatterier för att registrera tid och temperatur med stor precision under transport och förvaring av produkten (Enfucell).

Dessutom experimenterar man inom marknaderna för konsumentprodukter, kosmetik och läkemedel med tillämpningar för tunnfilmsbatterier. Ett exempel från skärningspunkten mellan konsument- och kosmetikmarknaden är en elektrisk ögonmasktillämpning. Masken har en mikroströmenhet bestående av det flexibla tryckta batteriet, elektroder, vidhäftande tejp och ett skyddsomslag (Enfucell). När lappen placeras på huden skapas omedelbart en strömkrets, och strömmarna flödar från de aktiva elektroderna i masken till huden (Enfucell). Andra tillämpningar på konsumentmarknaden för tunnfilmsbatterier är bärbara elektroniska övervakningsenheter t.ex. för idrottare. Ett exempel är en lågenergisensor med Bluetooth som kan fästas på sidan av en golfklubba för att mäta acceleration och hastighet i vinkeln (Enfucell). Som exempel på medicinska tillämpningar med tunnfilmsbatterier för engångsbruk kan nämnas patientdiagnostik och enheter för behandling och övervakning.

Under de senaste 200 åren har många strider utspelat sig kring utvecklingen av nya och annorlunda typer av batterier för att tillfredsställa den aldrig avtagande hungern efter energi till alla de enheter och tillämpningar som vi använder varje dag. Många nyare företag har börjat utveckla batterier gjorda av material som är lättillgängliga, hållbara och säkra både för miljön och människor. Tryckta, flexibla tunnfilmsbatterier som bygger på en organisk kemi, till exempel zink-magnesiumdioxid (visas i denna video) och liknande, visar att det finns en ny och mer miljövänlig framtid för batterier. På olika håll inom industrisektorn, Sakernas internet eller konsument- och läkemedelsmarknaden har man redan börjat experimentera och tillverka produkter som drivs av tunnfilmsbatterier. Ytterligare utveckling krävs för att förbättra kapaciteten och tillverkningsprocesserna för dessa batterier, men en viktig fråga pressar fortfarande utvecklarna framåt: vad är nästa användningsområde för tunnfilmsbatterier?

Om skribenten

Image of Halie Henley

Halie Henley, produkthanteringsspecialist på Molex, har arbetat på Molex sedan 2016. Hon arbetar tillsammans med andra produktchefer med att utveckla och marknadsföra nya produkter, bland annat sammankopplingsprodukter, tunnfilmsbatterier samt tillgångsspårning och RFID-lösningar. Halie har en examen i entreprenörsledning och kommunikation och har haft olika roller inom projektledning och produkthantering för samordning av kontakt mellan kund och Molex avdelningar för konstruktion och tillverkning. När hon inte arbetar tycker hon bäst om att resa, läsa och att sporta utomhus – helst då klättring (bouldering) och fotboll.

More posts by Halie Henley