Combaterea impactului asupra mediului în industria componentelor electronice

Industria electronică a avut și va continua să aibă un impact asupra mediului nostru pe măsură ce continuă să evolueze. În ceea ce privește aspectele pozitive, utilizarea pe o scară tot mai largă a electronicelor pentru generarea energiei electrice, iluminare, controlul motorului, senzori și multe alte aplicații a oferit îmbunătățiri dramatice în eficiența energetică și în capacitatea de monitorizare și control al mediul nostru. În ceea ce privește aspectele negative, proliferarea produselor electronice a generat deșeuri electronice semnificative în depozitele noastre de deșeuri, creșterea consumului de energie și eliberarea de materiale periculoase în mediul nostru. Dar ce se poate face pentru combaterea problemei și pentru a permite înregistrarea unui progresul continuu în această direcție a evoluției electronice? În industrie sunt explorate mai multe idei și tendințe noi ce au ca scop găsirea unei soluții.

Consumul redus de energie

O nouă tendință legată de impactul asupra mediului și domeniul sustenabilității este dorința de a reduce consumul de energie. Nu este un lucru neobișnuit ca oamenii să aibă la dispoziție cinci sau șase dispozitive alimentate de la baterii odată – gândiți-vă la telefonul mobil, smartwatch, laptop, tabletă, căști inteligente și multe altele. Tendința generală observată în acest domeniu este efortul susținut pentru crearea unui necesar de energie mai mic pentru aceste dispozitive. Consumul redus de energie permite existența unor baterii, precum și dispozitive mai mici. Un alt avantaj al consumului redus de energie pentru utilizatorii dispozitivului este timpul mai lung între încărcări sau la care are loc înlocuirea bateriei.

O tendință specifică în curs de dezvoltare este modul în care se încarcă bateriile. Compușii chimici ai bateriilor necesită profiluri de încărcare unice pentru maximizarea duratei de viață a bateriei și, mai ales, pentru a o menține în siguranță, deoarece se știe că unii compuși chimici explodează dacă bateria este încărcată incorect. Încărcarea a devenit o aplicație sofisticată, care necesită monitorizarea temperaturii, tensiunii și curentului bateriei cu reglaj variabil în buclă închisă în timpul ciclului de încărcare. Totodată, o încărcare corectă crește durata de viață a bateriei. Odată cu dezvoltarea unor compuși chimici mai noi, se așteaptă ca această tendință de sofisticare a încărcării să persiste. Durata de viață mai lungă a bateriei contribuie la posibilitatea de utilizare a unui dispozitiv pe termen mai lung și, în cele din urmă, la mai puține deșeuri electronice în depozitele de deșeuri.

Există o tehnologie de stocare a energiei organice, verzi, care este populară, însă nu la fel de omniprezentă ca bateriile: supercondensatoarele. Nu au capacitatea sau capacitatea de stocare pe termen lung a bateriilor tradiționale, dar pot fi încărcate mult mai repede și pot susține mai multe cicluri de reîncărcare decât bateriile reîncărcabile tradiționale. Deoarece supercondensatoarele au un timp de auto-descărcare măsurat, de obicei, în săptămâni, aplicațiile potențiale trebuie să țină cont de acest lucru. În prezent, supercondensatoarele sunt oferite de mai mulți furnizori, iar Figura 1 prezintă exemple de opțiuni ale pachetului de supercondensatoare KEMET. Unele dispozitive care utilizează condensatoare mai degrabă decât baterii pot fi chiar încărcate cu ajutorul iluminării ambientale normale. Acest lucru transformă dispozitivul într-un dispozitiv de recoltare a energiei naturale, care utilizează lumina ca sursă de energie pentru a încărca în mod regulat un condensator și a furniza cantități utile de energie. Mișcarea, diferențialul de căldură și lumina sunt, probabil, cele mai populare forme de recoltare a energiei din momentul de față.

Figura 1: Diverse stiluri de pachete de supercondensatoare KEMET. (Sursă imagine: KEMET)

Recoltarea energiei

Recoltarea energiei este procesul prin care energia este derivată din surse externe, cum ar fi energia solară, energia termică, energia eoliană și altele, după care aceasta este captată și stocată. Aplicațiile tipice sunt dispozitivele autonome mici, wireless, cum ar fi cele utilizate în dispozitivele purtabile și în rețelele de senzori wireless. Figura 2 ilustrează câteva celule solare Littelfuse IXOLAR™ utilizate în mod obișnuit pentru alimentarea dispozitivelor electronice mici cu consum redus de energie.

Figura 2: Celule solare mici Littelfuse IXOLAR™. (Sursă imagine: Littelfuse)

Recoltarea energiei datează din vremea morilor de vânt și roților de apă, dar forța motrice ce stă la baza căutării de noi dispozitive de recoltare a energiei este dorința de alimentare a rețelelor de senzori și dispozitivele mobile fără baterii. Un caz de utilizare popular și în creștere este alimentarea de la distanță a senzorilor din teren, care sunt dificil și costisitor de deservit din punct de vedere al înlocuirii bateriei. De asemenea, există un interes considerabil în recoltarea energiei pentru abordarea problemelor legate de schimbările climatice și încălzirea globală.

DigiKey oferă multe tipuri de panouri de evaluare și demonstrare a recoltării energiei, precum și cipuri individuale de gestionare a energiei. Kitul solar pentru interior Power Film's (ilustrat în Figura 3) demonstrează o soluție completă și include panourile lor solare pentru interior, precum și un panou de evaluare a gestionării energiei pentru recoltarea și stocarea energiei, precum și bateria reîncărcabilă Panoul de evaluare încorporează modulul nRF52832 BLE al Nordic și IC pentru recoltarea energiei/managementul energiei BQ25570 al Texas Instruments.

Figura 3: Kit solar pentru interior Power Film. (Sursă imagine: Power Film)

Baterii de unică folosință cu peliculă subțire

O altă opțiune alternativă sustenabilă este reprezentată de bateriile flexibile, imprimate, cu peliculă subțire, cunoscute sub numele de baterii cu peliculă subțire în stare solidă. Bateriile în stare solidă sunt exact așa – solide – nu conțin geluri sau lichide în structura lor. Acestea sunt proiectate și fabricate cu straturi sau pelicule foarte subțiri de materiale, iar designul lor subțire este o parte din ceea ce le face atât de flexibile și atractive pentru piața senzorilor purtabili. Multe dintre aceste baterii cu peliculă subțire în stare solidă îndeplinesc nevoile pieței în ceea ce privește caracterul subțire și flexibil, însă continuă, adesea, să fie proiectate cu compuși chimici pe bază de litiu sau alți compuși chimici care le fac potențial toxice pentru mediu.

Utilizarea pe scară largă și toxicitatea anumitor baterii devine problematică atunci când se ia în considerare cantitatea mare de baterii aruncate la deșeuri în fiecare an. Odată cu creșterea cererii pentru dispozitivele electronice, cum ar fi laptopurile și smartphone-urile, a crescut și contribuția acestora la cantitatea de deșeuri generate în fiecare an. În general, bateriile nu sunt biodegradabile și, atunci când sunt aruncate în mod iresponsabil, poate exista riscul de eliberare a metalelor și substanțelor chimice toxice în sol. În prezent, în multe țări există reglementări privind eliminarea bateriilor la deșeuri și multe țări oferă programe de reciclare. Aceste programe ajută la reciclarea metalului din baterii și pot ajuta la reducerea impactului negativ asupra mediului al eliminării bateriilor la deșeuri. Agenția pentru Protecția Mediului din Statele Unite ale Americii gestionează un site cu o serie de inițiative și programe pentru gestionarea durabilă a produselor electronice.

Reglementările privind eliminarea la deșeuri a bateriilor, împreună cu nevoia crescândă de a alimenta și conecta mai multe dispozitive la Internetul obiectelor, motivează companiile să exploreze alternative sigure și durabile la compușii chimici periculoși din conținutul bateriilor. Linia de baterii cu peliculă subțire Molex este o astfel de soluție (Figura 4). Spre deosebire de verișoarele lor, bateriile cu litiu, aceste baterii sunt proiectate cu un compus chimic cu dioxid de mangan și sunt mai sigure și mai convenabile din punct de vedere al eliminării la deșeuri de către utilizatorul final.

Figura 4: Baterie cu peliculă subțire Molex. (Sursă imagine: Molex)

Cazurile de utilizare în viața reală ajută la evidențierea aplicațiilor în care caracteristicile cum ar fi profilul redus, flexibilitatea, disponibilitatea și amprenta mică sunt foarte apreciate și unde ar fi de așteptat ca piața bateriilor cu peliculă subțire să continue să crească. Un caz de utilizare deosebit de interesant este utilizarea bateriilor cu peliculă subțire în etichete inteligente de temperatură pentru frecvență ultra înaltă (UHF). Etichetele au dimensiunea unui card de credit și sunt puțin mai groase decât hârtia standard pentru imprimantă. Acestea sunt utilizate de către managerii de logistică a lanțului de frig pentru produsele sensibile la temperatură, cum ar fi produsele farmaceutice, alimentele perisabile și florile. Aceste etichete inteligente de temperatură utilizează o combinație de tehnologii, inclusiv identificarea prin radiofrecvență (RFID), detectarea inteligentă a temperaturii și bateriile cu peliculă subțire tipărite pentru a urmări cu precizie timpul și temperatura în timpul transportului și depozitării produsului.

În plus, consumatorii, produsele cosmetice și piețele medicale experimentează aplicații pentru bateriile cu peliculă subțire. La intersecția dintre piața consumatorilor și cea a produselor cosmetice se află o aplicație de mască pentru ochi electrificată. Masca are un dispozitiv cu microcurent compus din bateria flexibilă imprimată, electrozi, bandă adezivă și un strat de acoperire. Amplasarea patch-ului pe piele creează instantaneu o buclă de curent, iar produsele cosmetice curg dinspre electrozii activi din mască pe piele. Alte aplicații de pe piața consumatorilor de baterii cu peliculă subțire sunt în dispozitivele de monitorizare electronice și sport purtabile, inclusiv un patch de senzor Bluetooth (BLE) cu consum redus de energie care se atașează pe partea laterală a unui cap tip crosă de golf pentru a măsura accelerația și viteza unghiulară. Aplicațiile medicale pentru bateriile de unică folosință cu peliculă subțire includ dispozitivele de diagnosticare, terapeutice și de monitorizare a pacienților.

În ultimele câteva decenii s-au înregistrat progrese importante în dezvoltarea de tipuri noi și diferite de surse de energie și baterii pentru a satisface o lume a cărei nevoie de alimentare a numeroaselor dispozitive și aplicații utilizate în fiecare zi crește din ce în ce mai mult. Recent, companiile au început să dezvolte condensatoare și baterii fabricate cu materiale abundente, durabile și sigure atât pentru mediu, cât și pentru oameni. Recoltarea energiilor naturale este o altă practică durabilă pe care multe companii o explorează. Piețe precum cea industrială, Internetul obiectelor, piața consumatorilor și piața medicală au experimentat și fabricat cu succes produse alimentate de baterii cu peliculă subțire, supercondensatoare și dispozitive cu recoltare de energie. Este nevoie de continuarea dezvoltării pentru creșterea capacității și productivității acestor metode, dar dezvoltatorii continuă să își pună această întrebare stringentă: unde vor putea fi folosite aceste metode și practici în continuare?