該如何應對電子元器件行業(yè)對環(huán)境的影響

電子行業(yè)已經(jīng)對我們的環(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、電機控制、傳感器和其他眾多應用當中增加電子元器件的使用大幅提高了能效，以及對環(huán)境進行監(jiān)測和控制的能力。而從負面來看，電子產(chǎn)品的普及導致垃圾填埋場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)。但應該如何應對該問題，并促進該行業(yè)沿著電子元器件的發(fā)展路徑不斷進步呢？為了找到解決辦法，人們已經(jīng)對該行業(yè)內(nèi)的多種理念和趨勢進行了探索。

更低的功耗

與環(huán)境影響和可持續(xù)發(fā)展領域有關的一種新趨勢是，對更低能耗的需求。一個人隨時都要使用五到六臺電池供電設備，這種情況并不少見，例如，手機、智能手表、筆記本電腦、平板電腦、智能耳機，等等。該領域的整體趨勢是，不斷努力降低此類設備的能耗。更低的能耗使電池和設備變得越來越小。對于設備用戶來說，低能耗的另一項好處是延長設備的續(xù)航時間或電池的使用壽命。 如何為電池進行充電是新出現(xiàn)的一項具體趨勢。電池的化學物質(zhì)需要獨特的充電規(guī)范，從而在最大限度延長電池壽命，尤其是保護它們的安全，因為如果充電不當，有些化學物質(zhì)會導致爆炸。

充電已然成為一種復雜的應用，要求在充電周期內(nèi)通過閉環(huán)、變量調(diào)整對電池溫度、電壓和電流進行監(jiān)控。正確充電還可以延長電池的預期壽命。隨著更新的化學物質(zhì)被開發(fā)出來，這項和充電復雜程度有關的趨勢預計不會改變。更長的電池壽命有助于延長設備的使用壽命，并最終減少垃圾填埋場中的電子垃圾。 目前有一種頗受歡迎但不如電池普及的環(huán)保、有機能量存儲技術(shù)：超級電容器。它們沒有傳統(tǒng)電池的容量和長期儲電能力，但在充電時比傳統(tǒng)的充電電池快得多，而且充電周期次數(shù)更多。由于超級電容器的自放電時間通常以周為單位，因此潛在的相關應用需要考慮到這一點。多家供應商現(xiàn)已能夠提供超級電容器，圖 1 即 KEMET 超級電容器的封裝選項示例。有些使用電容器而非電池的設備甚至可以通過普通環(huán)境光進行充電。這使此類設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，從而提供有效實用的能量。運動、熱差和光可能是當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（如太陽能、熱能、風能，等等）采集并儲存起來的過程。典型應用是一些小型無線自主式設備，例如在可穿戴設備和無線傳感器網(wǎng)絡中使用的設備。圖 2 是一些常用于為小型低功耗電子設備供電的 Littelfuse IXOLAR太陽能電池。

能量收集的歷史可以追溯到風車和水車的時代，但尋找新的能源收集設備背后的動力源于為傳感器網(wǎng)絡和移動設備供電，而不使用電池的需求。一個受歡迎而且還在不斷普及的使用案例是，對現(xiàn)場部署的遠程傳感器進行供電，因為要對這些傳感器進行電池更換不僅困難，而且成本高昂。另外，對能源收集的相當大一部分關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估和演示板，以及個別電源管理芯片。Power Film 的室內(nèi)太陽能套件（見圖 3）是一套完整的解決方案，其中包括室內(nèi)太陽能板、能量收集和儲存電源管理評估板，以及充電電池。該評估板集成了 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

另一個可持續(xù)替代選項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計和制造。正因如此，薄膜電池才柔韌可彎曲，并且受到可穿戴感測應用市場的青睞。固態(tài)薄膜電池大多都能滿足薄度和柔韌度方面的市場需求，但設計仍采用鋰基化學品或其他化學物質(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，這些電池的廣泛應用和毒性就成為較嚴重的問題。隨著人們對筆記本電腦和智能手機等電子設備的需求量不斷擴大，每年因此而產(chǎn)生的廢棄物也相應增加。

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物質(zhì)可能會造成土壤污染。如今，許多國家/地區(qū)都頒布了廢電池處理相關的法規(guī)并提供相應的回收計劃。這些計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環(huán)境造成的負面影響。在美國環(huán)境保護署維護的網(wǎng)站上，就包含一系列有關電子設備可持續(xù)管理的倡議和計劃。 由于設備連接物聯(lián)網(wǎng)及其供能的需求日益增長，同時鑒于廢電池處理相關法規(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，該電池系列設計采用鋅二氧化錳，最終用戶丟棄處理時更為安全便捷。

通過實際應用案例分析可知，薄膜電池對于注重纖薄、柔韌度、處理便捷性和封裝小巧等特性的應用來說更為適用，因此薄膜電池市場有望持續(xù)增長。一個有意思的用例是在超高頻 (UHF) 智能溫度標簽中使用薄膜電池，該標簽大小與信用卡相當，比標準打印紙稍厚。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。這些智能溫度標簽采用包括無線射頻識別 (RFID)、智能溫度檢測技術(shù)和印刷薄膜電池在內(nèi)的技術(shù)組合，在產(chǎn)品運輸和儲存過程中可以準確跟蹤時間和溫度。 此外，消費類、化妝品和醫(yī)療市場也都在積極試驗薄膜電池的應用。電動眼罩應用是消費電子與化妝市場的跨界產(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，薄膜電池的消費電子市場應用還有可穿戴電子、運動監(jiān)測設備，其中包括一款低功耗藍牙 (BLE) 傳感器貼片，可附著在高爾夫球桿頂部側(cè)面以測量加速度和角速度。一次性薄膜電池的醫(yī)療應用包括患者診斷、治療和監(jiān)護設備。 過去幾十年間，我們在新型以及不同類型的能量源和電池的開發(fā)方面取得了長足的進步，以此才能滿足全世界對常用設備和應用不斷增長的供電需求。

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量豐富、可持續(xù)，并且無論對于環(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)實踐。工業(yè)應用、物聯(lián)網(wǎng)、消費類和醫(yī)療等市場都已成功試驗和制造出了使用薄膜電池、超級電容器和能量收集設備進行供電的產(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，但是一個迫在眉睫的問題需要驅(qū)動開發(fā)人員盡快解決：這些方法和實踐的應用發(fā)展該駛向何方？

責任編輯：xj

原文標題：應對電子元器件行業(yè)對環(huán)境的影響

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