電子行業(yè)已經(jīng)對(duì)我們的環(huán)境造成影響，而且這種影響將隨著行業(yè)發(fā)展一直持續(xù)下去。從正面來看，在發(fā)電、照明、電機(jī)控制、傳感器和其他眾多應(yīng)用當(dāng)中增加電子元器件的使用大幅提高了能效，以及對(duì)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制的能力。而從負(fù)面來看，電子產(chǎn)品的普及導(dǎo)致垃圾填埋場(chǎng)充斥著大量電子垃圾，增加了能源使用量，并且向我們的環(huán)境排放有害物質(zhì)。但應(yīng)該如何應(yīng)對(duì)該問題，并促進(jìn)該行業(yè)沿著電子元器件的發(fā)展路徑不斷進(jìn)步呢？為了找到解決辦法，人們已經(jīng)對(duì)該行業(yè)內(nèi)的多種理念和趨勢(shì)進(jìn)行了探索。

更低的功耗

與環(huán)境影響和可持續(xù)發(fā)展領(lǐng)域有關(guān)的一種新趨勢(shì)是，對(duì)更低能耗的需求。一個(gè)人隨時(shí)都要使用五到六臺(tái)電池供電設(shè)備，這種情況并不少見，例如，手機(jī)、智能手表、筆記本電腦、平板電腦、智能耳機(jī)，等等。該領(lǐng)域的整體趨勢(shì)是，不斷努力降低此類設(shè)備的能耗。更低的能耗使電池和設(shè)備變得越來越小。對(duì)于設(shè)備用戶來說，低能耗的另一項(xiàng)好處是延長(zhǎng)設(shè)備的續(xù)航時(shí)間或電池的使用壽命。 如何為電池進(jìn)行充電是新出現(xiàn)的一項(xiàng)具體趨勢(shì)。電池的化學(xué)物質(zhì)需要獨(dú)特的充電規(guī)范，從而在最大限度延長(zhǎng)電池壽命，尤其是保護(hù)它們的安全，因?yàn)槿绻潆姴划?dāng)，有些化學(xué)物質(zhì)會(huì)導(dǎo)致爆炸。

充電已然成為一種復(fù)雜的應(yīng)用，要求在充電周期內(nèi)通過閉環(huán)、變量調(diào)整對(duì)電池溫度、電壓和電流進(jìn)行監(jiān)控。正確充電還可以延長(zhǎng)電池的預(yù)期壽命。隨著更新的化學(xué)物質(zhì)被開發(fā)出來，這項(xiàng)和充電復(fù)雜程度有關(guān)的趨勢(shì)預(yù)計(jì)不會(huì)改變。更長(zhǎng)的電池壽命有助于延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，并最終減少垃圾填埋場(chǎng)中的電子垃圾。 目前有一種頗受歡迎但不如電池普及的環(huán)保、有機(jī)能量存儲(chǔ)技術(shù)：超級(jí)電容器。它們沒有傳統(tǒng)電池的容量和長(zhǎng)期儲(chǔ)電能力，但在充電時(shí)比傳統(tǒng)的充電電池快得多，而且充電周期次數(shù)更多。由于超級(jí)電容器的自放電時(shí)間通常以周為單位，因此潛在的相關(guān)應(yīng)用需要考慮到這一點(diǎn)。多家供應(yīng)商現(xiàn)已能夠提供超級(jí)電容器，圖 1 即 KEMET 超級(jí)電容器的封裝選項(xiàng)示例。有些使用電容器而非電池的設(shè)備甚至可以通過普通環(huán)境光進(jìn)行充電。這使此類設(shè)備成為天然能源收集器，使用光作為能量源來定期為電容器充電，從而提供有效實(shí)用的能量。運(yùn)動(dòng)、熱差和光可能是當(dāng)前最常見的能量收集形式。

能量收集

能量收集指的是將外部來源的能量（如太陽(yáng)能、熱能、風(fēng)能，等等）采集并儲(chǔ)存起來的過程。典型應(yīng)用是一些小型無線自主式設(shè)備，例如在可穿戴設(shè)備和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中使用的設(shè)備。圖 2 是一些常用于為小型低功耗電子設(shè)備供電的 Littelfuse IXOLAR太陽(yáng)能電池。

能量收集的歷史可以追溯到風(fēng)車和水車的時(shí)代，但尋找新的能源收集設(shè)備背后的動(dòng)力源于為傳感器網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)設(shè)備供電，而不使用電池的需求。一個(gè)受歡迎而且還在不斷普及的使用案例是，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)部署的遠(yuǎn)程傳感器進(jìn)行供電，因?yàn)橐獙?duì)這些傳感器進(jìn)行電池更換不僅困難，而且成本高昂。另外，對(duì)能源收集的相當(dāng)大一部分關(guān)注還希望借此來解決氣候變遷和全球暖化問題。 Digi-Key 提供很多種能源收集評(píng)估和演示板，以及個(gè)別電源管理芯片。Power Film 的室內(nèi)太陽(yáng)能套件（見圖 3）是一套完整的解決方案，其中包括室內(nèi)太陽(yáng)能板、能量收集和儲(chǔ)存電源管理評(píng)估板，以及充電電池。該評(píng)估板集成了 Nordic 的 nRF52832 BLE 模塊和 Texas Instruments 的 BQ25570能量收集/電源管理集成電路。

一次性薄膜電池

另一個(gè)可持續(xù)替代選項(xiàng)是柔性印刷薄膜電池，又稱作固態(tài)薄膜電池。顧名思義，固態(tài)電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)為“固態(tài)”，而非凝膠或液態(tài)。它們采用纖薄的薄膜材料設(shè)計(jì)和制造。正因如此，薄膜電池才柔韌可彎曲，并且受到可穿戴感測(cè)應(yīng)用市場(chǎng)的青睞。固態(tài)薄膜電池大多都能滿足薄度和柔韌度方面的市場(chǎng)需求，但設(shè)計(jì)仍采用鋰基化學(xué)品或其他化學(xué)物質(zhì)，因而依然可能破壞環(huán)境。 若考慮到每年都有大量電池被丟棄，這些電池的廣泛應(yīng)用和毒性就成為較嚴(yán)重的問題。隨著人們對(duì)筆記本電腦和智能手機(jī)等電子設(shè)備的需求量不斷擴(kuò)大，每年因此而產(chǎn)生的廢棄物也相應(yīng)增加。

電池通常屬于不可生物降解物質(zhì)，如果隨意丟棄，其中的有毒金屬和化學(xué)物質(zhì)可能會(huì)造成土壤污染。如今，許多國(guó)家/地區(qū)都頒布了廢電池處理相關(guān)的法規(guī)并提供相應(yīng)的回收計(jì)劃。這些計(jì)劃有助于電池中金屬的回收再利用，也可遏制廢電池處理對(duì)環(huán)境造成的負(fù)面影響。在美國(guó)環(huán)境保護(hù)署維護(hù)的網(wǎng)站上，就包含一系列有關(guān)電子設(shè)備可持續(xù)管理的倡議和計(jì)劃。 由于設(shè)備連接物聯(lián)網(wǎng)及其供能的需求日益增長(zhǎng)，同時(shí)鑒于廢電池處理相關(guān)法規(guī)的頒布，各制造商潛心探索，試圖找到安全的可持續(xù)替代品以替換電池中的有害化學(xué)物質(zhì)。Molex 的薄膜電池系列正是這類解決方案（圖 4）。與同類鋰電池產(chǎn)品不同，該電池系列設(shè)計(jì)采用鋅二氧化錳，最終用戶丟棄處理時(shí)更為安全便捷。

通過實(shí)際應(yīng)用案例分析可知，薄膜電池對(duì)于注重纖薄、柔韌度、處理便捷性和封裝小巧等特性的應(yīng)用來說更為適用，因此薄膜電池市場(chǎng)有望持續(xù)增長(zhǎng)。一個(gè)有意思的用例是在超高頻 (UHF) 智能溫度標(biāo)簽中使用薄膜電池，該標(biāo)簽大小與信用卡相當(dāng)，比標(biāo)準(zhǔn)打印紙稍厚。冷鏈物流管理將其用于藥品、易腐食品和鮮花等溫度敏感型產(chǎn)品。這些智能溫度標(biāo)簽采用包括無線射頻識(shí)別 (RFID)、智能溫度檢測(cè)技術(shù)和印刷薄膜電池在內(nèi)的技術(shù)組合，在產(chǎn)品運(yùn)輸和儲(chǔ)存過程中可以準(zhǔn)確跟蹤時(shí)間和溫度。 此外，消費(fèi)類、化妝品和醫(yī)療市場(chǎng)也都在積極試驗(yàn)薄膜電池的應(yīng)用。電動(dòng)眼罩應(yīng)用是消費(fèi)電子與化妝市場(chǎng)的跨界產(chǎn)品。

該眼罩的微電流裝置由柔性印刷電池、電極、膠帶和覆蓋片構(gòu)成。將貼片放在皮膚上，即刻就會(huì)產(chǎn)生電流回路，化妝品則可通過眼罩的活性電極滲入皮膚。除此之外，薄膜電池的消費(fèi)電子市場(chǎng)應(yīng)用還有可穿戴電子、運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備，其中包括一款低功耗藍(lán)牙 (BLE) 傳感器貼片，可附著在高爾夫球桿頂部側(cè)面以測(cè)量加速度和角速度。一次性薄膜電池的醫(yī)療應(yīng)用包括患者診斷、治療和監(jiān)護(hù)設(shè)備。 過去幾十年間，我們?cè)谛滦鸵约安煌愋偷哪芰吭春碗姵氐拈_發(fā)方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，以此才能滿足全世界對(duì)常用設(shè)備和應(yīng)用不斷增長(zhǎng)的供電需求。

近期，制造商已然著手開發(fā)新一代的電容器和電池；要求制造這種新型電池的材料儲(chǔ)量豐富、可持續(xù)，并且無論對(duì)于環(huán)境還是人類都必須安全可靠。收集天然產(chǎn)生的能量是很多公司正在探索的另一種可持續(xù)實(shí)踐。工業(yè)應(yīng)用、物聯(lián)網(wǎng)、消費(fèi)類和醫(yī)療等市場(chǎng)都已成功試驗(yàn)和制造出了使用薄膜電池、超級(jí)電容器和能量收集設(shè)備進(jìn)行供電的產(chǎn)品。雖然在提高此類方法的容量和制造工藝方面仍有待繼續(xù)發(fā)展，但是一個(gè)迫在眉睫的問題需要驅(qū)動(dòng)開發(fā)人員盡快解決：這些方法和實(shí)踐的應(yīng)用發(fā)展該駛向何方？

責(zé)任編輯：xj

原文標(biāo)題：應(yīng)對(duì)電子元器件行業(yè)對(duì)環(huán)境的影響

文章出處：【微信公眾號(hào)：電子發(fā)燒友網(wǎng)】歡迎添加關(guān)注！文章轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。