Potlačování negativního dopadu na životní prostředí v odvětví elektronických součástek

Elektronický průmysl narušil naše životní prostředí a tento dopad bude s jeho pokračujícím vývojem pokračovat. Kladnou stránkou je skutečnost, že zvýšení uplatnění elektroniky ve výrobě energie, osvětlení, řízení motorů, senzorech a mnoha dalších aplikacích přineslo dramatická zlepšení energetické účinnosti a schopnosti monitorovat a ovládat naše prostředí. Na druhé straně však záplava elektronických produktů způsobila značný podíl e-odpadu v našich skládkách, zvýšila spotřebu energie a vypouštění nebezpečných materiálů do našeho životního prostředí. Co můžeme pro boj s tímto problémem učinit a jak zavést do této vývojové cesty elektroniky trvalou nápravu? V průmyslu probíhá průzkum několika nových myšlenek a trendů směřujících k nalezení řešení.

Nižší spotřeba energie

Jedním z novějších trendů souvisejících s dopadem na sféru životního prostředí a udržitelnost je snaha o snížení spotřeby energie. Není neobvyklé, že lidé u sebe v kteroukoli dobu mívají pět nebo šest přístrojů na baterie - stačí si představit mobilní telefon, chytré hodinky, notebook, tablet, chytrá sluchátka a další. Obecným trendem, který panuje v této oblasti, je trvalá snaha o snížení energetických požadavků pro tato zařízení. Snížení spotřeby energie umožňuje používání menších baterií i přístrojů. Další výhodou pro uživatele přístrojů s nižší spotřebou energie jsou delší intervaly nabíjení nebo výměny baterií.

Samostatným rodícím se trendem je způsob nabíjení baterií. Chemické látky baterií vyžadují jedinečné nabíjecí profily pro maximalizaci výdrže baterie a zejména jejich uchování v bezpečném stavu, protože některé látky jsou známé svou možností exploze v případě chybného nabití. Z nabíjení se stala důmyslná aplikace vyžadující monitorování teploty, napětí a proudu baterie s uzavřenou regulací proměnnými parametrů v průběhu nabíjecího cyklu. Řádné nabíjení rovněž zvyšuje průměrnou bodu životnosti baterie. S vývojem nových chemikálií se očekává, že tento trend důmyslného nabíjení bude pokračovat. Delší výdrž baterie přispívá k delší době používání zařízení a k definitivnímu snížení objemu e-odpadu na našich skládkách.

Existuje zelená, organická technologie uchování energie, která je populární, ale ne tolik rozšířená, jako baterie: superkondenzátory. Ačkoli nemají takovou kapacitu nebo schopnost dlouhodobého uchování jako tradiční baterie, lze je mnohem rychleji nabíjet a vydrží podstatně více nabíjecích cyklů, než tradiční dobíjecí baterie. Jelikož se čas samovolného vybíjení superkondenzátorů typicky počítá na týdny, potenciální aplikace musejí tuto skutečnost zohlednit. Superkondenzátory nyní nabízí více dodavatelů a obrázek 1 ukazuje příklady různých možností pouzder superkondenzátorů KEMET. Některé přístroje používající kondenzátory namísto baterií lze dokonce dobíjet běžným okolním světlem. Zařízení se tak stává sběratelem přírodní energie s využitím světla jako jako zdroje, který kondenzátor pravidelně dobíjí, aby pak mohl dodávat potřebná množství energie. K nejpopulárnější formám energy harvestingu v současné době patří patrně pohyb, teplotní spád a světlo.

Obrázek 1: Různá provedení pouzdra superkondenzátoru KEMET. (Zdroj obrázku: KEMET)

Energy harvesting

Energy harvesting (získávání energie) je proces, ve kterém se energie získává z externích zdrojů, například ze slunečního záření, tepla, větru a dalších a následně zachytává a uskladňuje. K typickým aplikacím patří malá, bezdrátová autonomní zařízení, například ta, která jsou součástí nositelné elektroniky nebo bezdrátových senzorových sítí. Obrázek 2 znázorňuje některé solární články IXOLAR™ společnosti Littelfuse, které se typicky používají k napájení malých elektronických přístrojů s nízkým odběrem energie.

Obrázek 2: Malé solární články Littelfuse IXOLAR™. (Zdroj obrázku: Littlefuse)

Ačkoli energy harvesting existuje již od doby větrných mlýnů a vodních kol, hlavní motivací hledání nových zařízení na získávání energie je potřeba senzorových sítí a mobilních zařízení bez baterií. Populárním a rostoucím příkladem používání je napájení vzdálených senzorů instalovaných v terénu, jejichž výměna baterií je drahá a obtížná. Velký zájem existuje též na uplatnění energy harvestingu v oblasti řešení problémů spojených se změnami klimatu a s globálním oteplováním.

Společnost DigiKey nabízí mnoho typů vyhodnocovacích a demonstračních desek energy harvestingu, jakož i samostatných čipů na správu. Vnitřní solární soupravaspolečnosti Power Film (znázorněná na obrázku 3), která obsahuje vnitřní solární panely, jakož i vyhodnocovací desku energy harvestingu na ukládání a správu energie s dobíjecí baterií, je ukázkou kompletního řešení. Vyhodnocovací deska je osazena IO na energy harvesting a správu energie nRF52832 společnosti BLENordic a BQ25570 společnosti Texas Instruments.

Obrázek 3: Obrázek vnitřní solární soupravy PowerFilm. (Zdroj obrázku: PowerFilm)

Jednorázové tenkofilmové baterie

Další udržitelnou alternativní možností jsou ohebné, tištěné tenkofilmové baterie, známé také jako baterie s pevným elektrolytem. Baterie s pevným elektrolytem mají přesně tyto vlastnosti - jsou pevné, tedy bez gelů či kapalin ve své konstrukci. Jsou navrženy a vyrobeny s velmi tenkými vrstvami nebo fóliemi materiálů a jejich tenká konstrukce se podílí na jejich vysoké ohebnosti a atraktivitě pro trh s nositelnou detekční elektronikou. Ačkoli mnohé z těchto tenkofilmových baterií s pevným elektrolytem splňují požadavky trhu na tloušťku a ohebnost, jsou často stále navrženy s chemickými látkami na bázi lithia nebo s jinými látkami, díky kterým se stávají potenciálně toxickými pro životní prostředí.

Rozsáhlé použití a toxicita některých baterií se stává problémem při uvážení obrovského množství baterií, které jsou každým rokem odhozeny. S nárůstem poptávky po elektronických přístrojích, například přenosných počítačích a chytrých telefonech, vzrostl také jejich příspěvek ke každoročnímu generovanému objemu odpadu. Baterie nejsou obecně biologicky rozložitelné a při neopatrném odhození mohou představovat riziko úniku toxických kovů a chemikálií do země. V mnoha zemích platí v současné době předpisy upravující likvidaci baterií a tyto země také nabízejí recyklační programy. Tyto programy pomáhají recyklovat kov z baterií a mohou přispět k potlačení negativních dopadů likvidace baterií na životní prostředí. Agentura pro ochranu životního prostředí USA provozuje webové stránky s celou řadou iniciativ a programů na udržitelnou správu elektronických zařízení.

Předpisy upravující likvidaci baterií společně s rostoucí potřebou napájení a připojení více zařízení k internetu věcí motivují společnosti k hledání bezpečných a udržitelných alternativ k nebezpečným chemickým látkám baterií. Jedním z takových řešení je řada tenkofilmových baterií společnosti Molex (obrázek 4). Tyto baterie jsou na rozdíl od svých lithiových sestřenic navrženy s elektrolytem z dioxidu zinku a manganu, který je bezpečnější pohodlnější pro likvidaci koncovým uživatelem.

Obrázek 4: Tenkofilmová baterie Molex. (Zdroj obrázku: Molex)

Příklady užití z reálného života pomáhají upozorňovat na aplikace, u kterých jsou vysoce oceňovány funkce, jako nízký profil, flexibilita, možnost likvidace a malý půdorys, a kde lze očekávat pokračující růst trhu s tenkofilmovými bateriemi. Jedním zvlášť zajímavým příkladem použití tenkofilmových baterií jsou inteligentní teplotní štítky v ultravysokém kmitočtovém pásmu (UHF). Štíky mají přibližně velikost kreditní karty a jsou o něco silnější než běžný papír do tiskárny. Používají je manažeři logistiky studeného řetězce pro teplotně citlivé produkty, například farmaceutické výrobky, potraviny podléhající zkáze a květiny. Tyto inteligentní teplotní štítky používají kombinaci různých technologií včetně identifikace na rádiové frekvenci (RFID), inteligentního snímání teploty a tištěných tenkofilmových baterií k přesnému sledování času a teploty během přepravy a skladování produktu.

S aplikacemi pro tenkofilmové baterie experimentují také spotřebitelský, kosmetický a zdravotnický trh. Na pomezí spotřebitelského a kosmetického trhu se nachází aplikace elektrizované oční masky. Maska je osazena mikroproudým modulem složeným z ohebné tištěné baterie, elektrod, lepicí pásky a krycí fólie. Umístěním na kožní plošku se ihned vytvoří proudová smyčka, a kosmetická látka začne proudit z aktivních elektrod v masce do pokožky. Další aplikace tenkofilmových baterií na spotřebním trhu mají své místo v nositelné elektronice a sportovních monitorovacích zařízeních včetně senzorového patche s nízkoenergetickým Bluetooth (BLE), který se připevní na stranu hlavy golfové hole pro měření zrychlení a úhlové rychlosti. Lékařské aplikace jednorázových tenkofilmových baterií zahrnují diagnostiku pacientů a terapeutická / monitorovací zařízení.

Během několika posledních desetiletí byly učiněny značné pokroky v oblasti vývoje nových a různorodých zdrojů energie a baterií s cílem uspokojení čím dále větší poptávky po napájení mnoha zařízení a aplikací pro každodenní použití. V poslední době začaly společnosti vyvíjet kondenzátory a baterie vyrobené z materiálů, které mají hojný výskyt a jsou udržitelné a bezpečné pro životní prostředí i osoby. Získávání energií vyskytujících se v přírodě představuje další udržitelnou praktiku, která je předmětem průzkumu mnoha společností. Na trzích zahrnujících například průmysl, internet věcí, spotřebitelský trh a zdravotnictví již úspěšně probíhají experimenty a výroba produktů napájených z tenkofilmových baterií, superkondenzátorů a přístrojů energy harvestingu. Ačkoli zvýšení kapacit a proveditelnosti těchto metod vyžaduje další vývoj, vývojáři jsou i nadále vedeni jednou motivační otázkou: kde se tyto metody a praktiky dají využít příště?