Bestrijding van de milieu-impact in de sector van de elektronische componenten

De elektronica-industrie heeft invloed gehad op ons milieu en zal dat blijven doen naarmate deze zich verder ontwikkelt. Aan de positieve kant heeft het toenemende gebruik van elektronica in de energieopwekking, verlichting, motorbesturing, sensoren en vele andere toepassingen gezorgd voor een drastische verbetering van de energie-efficiëntie en de mogelijkheid om onze omgeving te bewaken en te controleren. Aan de negatieve kant heeft de proliferatie van elektronische producten geresulteerd in aanzienlijk e-afval op onze stortplaatsen, een toename van het energieverbruik en het vrijkomen van gevaarlijke stoffen in ons milieu. Maar wat kan er gedaan worden om het probleem te bestrijden en verdere vooruitgang op dit elektronica-evolutiepad mogelijk te maken? Verschillende nieuwe ideeën en trends worden onderzocht in de industrie om een oplossing te vinden.

Minder stroomverbruik

Een nieuwere trend met betrekking tot de impact op het milieu en de duurzaamheid is de wens om het energieverbruik te verlagen. Het is niet ongewoon dat mensen op een bepaald moment vijf of zes op batterijen werkende apparaten hebben - denk aan een mobiele telefoon, een slim horloge, een laptop, een tablet, een slimme koptelefoon en nog veel meer. De algemene trend op dit gebied is een aanhoudende inspanning om lagere vermogensbehoefte voor deze apparaten te produceren. Een lager stroomverbruik maakt het mogelijk om kleinere batterijen en kleinere apparaten te gebruiken. Een ander voordeel van een lager vermogen voor gebruikers van het apparaat is een langere tijd tussen het opladen of het vervangen van de batterij.

Een specifieke trend die zich voordoet is de manier waarop batterijen worden opgeladen. Batterijchemie vereist unieke oplaadprofielen om de levensduur van de batterij te maximaliseren en, vooral, om ze veilig te houden, want van sommige drogisterijen is bekend dat ze exploderen als ze verkeerd worden opgeladen. Het opladen is een geavanceerde toepassing geworden die het bewaken van de temperatuur, spanning en stroom van de batterij met een gesloten lus en een variabele aanpassing tijdens de laadcyclus vereist. Goed opladen verhoogt ook de levensduur van de batterij. Naarmate er nieuwere apotheken worden ontwikkeld, zal deze trend voor het opladen van verfijning naar verwachting aanhouden. Een langere levensduur van de batterij draagt bij aan een langer gebruik van een apparaat en uiteindelijk minder e-afval op onze stortplaatsen.

Er is een groene, organische energieopslagtechnologie die populair is, maar niet zo doordringend als batterijen: supercondensatoren. Ze hebben niet de capaciteit of langdurige opslagcapaciteit van traditionele batterijen, maar ze kunnen veel sneller worden opgeladen en kunnen veel meer oplaadcycli aan dan traditionele oplaadbare batterijen. Aangezien supercondensatoren een zelfontladingstijd hebben die doorgaans in weken wordt gemeten, moeten potentiële toepassingen hiermee rekening houden. Meerdere leveranciers leveren nu supercondensators en in Afbeelding 1 zijn voorbeelden te zien van de mogelijkheden van KEMET's supercondensatorpakket. Sommige apparaten die gebruik maken van condensators in plaats van batterijen kunnen zelfs worden opgeladen met behulp van normale omgevingsverlichting. Dit maakt het apparaat tot een natuurlijke energie-oogstmachine, die licht als energiebron gebruikt om regelmatig een condensator op te laden en zo nuttige hoeveelheden energie te leveren. Beweging, warmtedifferentiatie en licht zijn momenteel waarschijnlijk de meest populaire vormen van energieoogst.

Afbeelding 1: Diverse KEMET-supercondensatorpakketten. (Bron afbeelding: KEMET)

Energy-harvesting, oftewel energie oogsten

Energie oossten is het proces waarbij energie wordt gewonnen uit externe bronnen zoals zonne-energie, thermische energie, windenergie en andere, en vervolgens wordt opgevangen en opgeslagen. Typische toepassingen zijn kleine, draadloze autonome apparaten zoals die worden gebruikt in draagbare apparaten en draadloze sensornetwerken. Afbeelding 2 illustreert enkele Littelfuse IXOLAR™-zonnecellen die gewoonlijk worden gebruikt voor de voeding van kleine elektronische apparaten met een laag vermogen.

Afbeelding 2: Littelfuse IXOLAR™ kleine zonnecellen. (Bron afbeelding: Littelfuse)

Het oogsten van energie gaat terug tot de windmolen en het waterrad, maar een drijvende kracht achter de zoektocht naar nieuwe apparaten voor het oogsten van energie is de wens om sensornetwerken en mobiele apparaten zonder accu's van stroom te voorzien. Een populaire en groeiende use case is het aandrijven van remote sensors die in het veld worden ingezet en die moeilijk en kostbaar te onderhouden zijn voor het vervangen van de batterij. Er is ook grote belangstelling voor het oogsten van energie om de problemen van de klimaatverandering en de opwarming van de aarde aan te pakken.

DigiKey biedt vele soorten evaluatie- en demonstratieborden voor het oogsten van energie en de individuele energiebeheerchips. Power Film's indoor zonne-energie kit (weergegeven in Afbeelding 3) toont een complete oplossing en omvat hun zonnepanelen binnenshuis, evenals een evaluatiebord voor energieopwekking en -opslag, energiebeheer en een oplaadbare batterij. Het evaluatiebord omvat de nRF52832 BLE-module van Nordicen BQ25570 van Texas Instruments voor het beheer van de energieproductie/het elektriciteitsverbruik.

Afbeelding 3: Power Film indoor zonne-energie kit. (Bron afbeelding: Power Film)

Dunne foliebatterijen voor eenmalig gebruik

Een ander duurzaam alternatief zijn flexibele, bedrukte, dunne foliebatterijen die bekend staan als solid-state dunne foliebatterijen. Solid-state batterijen zijn precies dat - vast - zonder gels of vloeistoffen binnen hun structuur. Ze zijn ontworpen en gefabriceerd met zeer dunne lagen of lagen van materialen, en hun dunne ontwerp is onderdeel van wat ze zo flexibel en aantrekkelijk maakt voor de draagbare sensormarkt. Veel van deze solid state dunne foliebatterijen voldoen aan de behoeften van de markt op het gebied van verdunning en flexibiliteit, maar ze zijn vaak nog steeds ontworpen met op lithium gebaseerde chemische stoffen of andere chemische stoffen die ze potentieel giftig voor het milieu maken.

Het wijdverbreide gebruik en de toxiciteit van bepaalde batterijen wordt problematisch als men rekening houdt met de enorme hoeveelheid batterijen die elk jaar wordt weggegooid. Naarmate de vraag naar elektronische apparaten zoals laptops en smartphones is toegenomen, is ook hun bijdrage aan de hoeveelheid afval die elk jaar wordt geproduceerd, toegenomen. Batterijen zijn meestal niet biologisch afbreekbaar en als ze niet op de juiste manier worden weggegooid, bestaat het risico dat er giftige metalen en chemicaliën in de grond terechtkomen. Veel landen hebben tegenwoordig voorschriften voor het verwijderen van batterijen en bieden recyclingprogramma's aan. Deze programma's helpen bij het recyclen van het metaal uit batterijen en kunnen de negatieve gevolgen, die het verwijderen van batterijen op het milieu kunnen hebben, verzachten. De United States Environmental Protection Agency onderhoudt een website met een aantal initiatieven en programma's voor het duurzaam beheer van elektronica.

De regelgeving voor het verwijderen van batterijen, in combinatie met de toenemende noodzaak om meer apparaten aan te sluiten op het internet van de dingen, motiveert bedrijven om veilige en duurzame alternatieven voor gevaarlijke batterijchemie te onderzoeken. De lijn van dunne foliebatterijen vanMolex is zo'n oplossing (Afbeelding 4). In tegenstelling tot hun lithiumbatterij-neefjes zijn deze batterijen ontworpen met een zinkmangaandioxidechemie en zijn ze veiliger en gemakkelijker af te voeren voor de eindgebruiker.

Afbeelding 4: Molex dunne foliebatterij. (Bron afbeelding: Molex)

Real-life use cases helpen de aandacht te vestigen op toepassingen waar functies als low-profile, flexibiliteit, wegwerpbaarheid en kleine voetafdruk zeer worden gewaardeerd en waar verwacht kan worden dat de markt voor dunne foliebatterijen zal blijven groeien. Een bijzonder interessant toepassingsgeval is het gebruik van dunne-filmbatterijen in slimme temperatuurtags met ultra-hoge frequentie (UHF). De tags hebben ongeveer het formaat van een creditcard en zijn iets dikker dan standaard printerpapier. Ze worden door cold chain logistics managers gebruikt voor temperatuurgevoelige producten, zoals farmaceutische producten, bederfelijke voedingsmiddelen en bloemen. Deze slimme temperatuurtags maken gebruik van een combinatie van technologieën zoals radiofrequentie-identificatie (RFID), intelligente temperatuursensoren en geprinte dunne foliebatterijen om de tijd en temperatuur tijdens het transport en de opslag van het product nauwkeurig bij te houden.

Daarnaast experimenteren de consumentenmarkt, de cosmeticamarkt en de medische markt met toepassingen voor dunne foliebatterijen. Op een kruispunt tussen de consumenten- en de cosmeticamarkt vinden we bijvoorbeeld een toepassing van een oogmasker dat gebruik maakt van elektriciteit. Het masker is voorzien van een microstroomapparaat dat bestaat uit de flexibele bedrukte batterij, elektroden, plakband en een afdekvel. Door het aanbrengen van de patch op de huid ontstaat er onmiddellijk een stroomlus, en de cosmetische stroom van de actieve elektroden in het masker naar de huid. Andere toepassingen van dunnefilmbatterijen voor de consumentenmarkt zijn in draagbare elektronische en sportbewakingsapparatuur, waaronder een laag-energetisch Bluetooth (BLE)-sensorpatch die aan de zijkant van een golfclubkop wordt bevestigd om de versnelling en de hoeksnelheid te meten. Medische toepassingen voor dunne-filmbatterijen voor eenmalig gebruik zijn onder meer patiëntdiagnose-, behandelings- en bewakingsapparaten.

In de afgelopen decennia zijn er grote stappen gezet in de ontwikkeling van nieuwe en verschillende soorten energiebronnen en batterijen om te voldoen aan een wereld die steeds hongeriger wordt om de vele apparaten en toepassingen die dagelijks worden gebruikt van stroom te voorzien. Meer recentelijk zijn bedrijven begonnen met het ontwikkelen van condensatoren en batterijen die gemaakt zijn met materialen die overvloedig, duurzaam en veilig zijn voor zowel het milieu als de mens. Het oogsten van natuurlijke energie is een andere duurzame praktijk die door veel bedrijven wordt onderzocht. Markten zoals de industrie, het internet van de dingen, de consument en de medische sector hebben al met succes geëxperimenteerd en producten gemaakt die worden aangedreven door dunne foliebatterijen, supercondensators en apparaten met een energieopbrengst. Er is meer ontwikkeling nodig om de capaciteit en de maakbaarheid van deze methoden te vergroten, maar één dringende vraag blijft de ontwikkelaars stimuleren: waar kunnen deze methoden en praktijken vervolgens worden gebruikt?