应对电子元器件行业对环境的影响

电子行业已经对我们的环境造成影响，而且这种影响将随着行业发展一直持续下去。从正面来看，在发电、照明、电机控制、传感器和其他众多应用当中增加电子元器件的使用大幅提高了能效，以及对环境进行监测和控制的能力。而从负面来看，电子产品的普及导致垃圾填埋场充斥着大量电子垃圾，增加了能源使用量，并且向我们的环境排放有害物质。但应该如何应对该问题，并促进该行业沿着电子元器件的发展路径不断进步呢？为了找到解决办法，人们已经对该行业内的多种理念和趋势进行了探索。

更低的功耗

与环境影响和可持续发展领域有关的一种新趋势是，对更低能耗的需求。一个人随时都要使用五到六台电池供电设备，这种情况并不少见，例如，手机、智能手表、笔记本电脑、平板电脑、智能耳机，等等。该领域的整体趋势是，不断努力降低此类设备的能耗。更低的能耗使电池和设备变得越来越小。对于设备用户来说，低能耗的另一项好处是延长设备的续航时间或电池的使用寿命。

如何为电池进行充电是新出现的一项具体趋势。电池的化学物质需要独特的充电规范，从而在最大限度延长电池寿命，尤其是保护它们的安全，因为如果充电不当，有些化学物质会导致爆炸。充电已然成为一种复杂的应用，要求在充电周期内通过闭环、变量调整对电池温度、电压和电流进行监控。正确充电还可以延长电池的预期寿命。随着更新的化学物质被开发出来，这项和充电复杂程度有关的趋势预计不会改变。更长的电池寿命有助于延长设备的使用寿命，并最终减少垃圾填埋场中的电子垃圾。

目前有一种颇受欢迎但不如电池普及的环保、有机能量存储技术：超级电容器。它们没有传统电池的容量和长期储电能力，但在充电时比传统的充电电池快得多，而且充电周期次数更多。由于超级电容器的自放电时间通常以周为单位，因此潜在的相关应用需要考虑到这一点。多家供应商现已能够提供超级电容器，图 1 即 KEMET 超级电容器的封装选项示例。有些使用电容器而非电池的设备甚至可以通过普通环境光进行充电。这使此类设备成为天然能源收集器，使用光作为能量源来定期为电容器充电，从而提供有效实用的能量。运动、热差和光可能是当前最常见的能量收集形式。

图 1：不同 KEMET 超级电容器的封装样式。（图片来源：KEMET）

能量收集

能量收集指的是将外部来源的能量（如太阳能、热能、风能，等等）采集并储存起来的过程。典型应用是一些小型无线自主式设备，例如在可穿戴设备和无线传感器网络中使用的设备。图 2 是一些常用于为小型低功耗电子设备供电的 Littelfuse IXOLAR™ 太阳能电池。

图 2：Littelfuse 的 IXOLAR™ 小型太阳能电池。（图片来源：Littelfuse）

能量收集的历史可以追溯到风车和水车的时代，但寻找新的能源收集设备背后的动力源于为传感器网络和移动设备供电，而不使用电池的需求。一个受欢迎而且还在不断普及的使用案例是，对现场部署的远程传感器进行供电，因为要对这些传感器进行电池更换不仅困难，而且成本高昂。另外，对能源收集的相当大一部分关注还希望借此来解决气候变迁和全球暖化问题。

DigiKey 提供很多种能源收集评估和演示板，以及个别电源管理芯片。Power Film 的室内太阳能套件（见图 3）是一套完整的解决方案，其中包括室内太阳能板、能量收集和储存电源管理评估板，以及充电电池。该评估板集成了 Nordic 的 nRF52832 BLE 模块和 Texas Instruments 的 BQ25570 能量收集/电源管理集成电路。

图 3：Power Film 的室内太阳能套件。（图片来源：Power Film）

一次性薄膜电池

另一个可持续替代选项是柔性印刷薄膜电池，又称作固态薄膜电池。顾名思义，固态电池的内部结构为“固态”，而非凝胶或液态。它们采用纤薄的薄膜材料设计和制造。正因如此，薄膜电池才柔韧可弯曲，并且受到可穿戴感测应用市场的青睐。固态薄膜电池大多都能满足薄度和柔韧度方面的市场需求，但设计仍采用锂基化学品或其他化学物质，因而依然可能破坏环境。

若考虑到每年都有大量电池被丢弃，这些电池的广泛应用和毒性就成为较严重的问题。随着人们对笔记本电脑和智能手机等电子设备的需求量不断扩大，每年因此而产生的废弃物也相应增加。电池通常属于不可生物降解物质，如果随意丢弃，其中的有毒金属和化学物质可能会造成土壤污染。如今，许多国家/地区都颁布了废电池处理相关的法规并提供相应的回收计划。这些计划有助于电池中金属的回收再利用，也可遏制废电池处理对环境造成的负面影响。在美国环境保护署维护的网站上，就包含一系列有关电子设备可持续管理的倡议和计划。

由于设备连接物联网及其供能的需求日益增长，同时鉴于废电池处理相关法规的颁布，各制造商潜心探索，试图找到安全的可持续替代品以替换电池中的有害化学物质。Molex 的薄膜电池系列正是这类解决方案（图 4）。与同类锂电池产品不同，该电池系列设计采用锌二氧化锰，最终用户丢弃处理时更为安全便捷。

图 4：Molex 的薄膜电池。（图片来源：Molex）

通过实际应用案例分析可知，薄膜电池对于注重纤薄、柔韧度、处理便捷性和封装小巧等特性的应用来说更为适用，因此薄膜电池市场有望持续增长。一个有意思的用例是在超高频 (UHF) 智能温度标签中使用薄膜电池，该标签大小与信用卡相当，比标准打印纸稍厚。冷链物流管理将其用于药品、易腐食品和鲜花等温度敏感型产品。这些智能温度标签采用包括无线射频识别 (RFID)、智能温度检测技术和印刷薄膜电池在内的技术组合，在产品运输和储存过程中可以准确跟踪时间和温度。

此外，消费类、化妆品和医疗市场也都在积极试验薄膜电池的应用。电动眼罩应用是消费电子与化妆市场的跨界产品。该眼罩的微电流装置由柔性印刷电池、电极、胶带和覆盖片构成。将贴片放在皮肤上，即刻就会产生电流回路，化妆品则可通过眼罩的活性电极渗入皮肤。除此之外，薄膜电池的消费电子市场应用还有可穿戴电子、运动监测设备，其中包括一款低功耗蓝牙 (BLE) 传感器贴片，可附着在高尔夫球杆顶部侧面以测量加速度和角速度。一次性薄膜电池的医疗应用包括患者诊断、治疗和监护设备。

过去几十年间，我们在新型以及不同类型的能量源和电池的开发方面取得了长足的进步，以此才能满足全世界对常用设备和应用不断增长的供电需求。近期，制造商已然着手开发新一代的电容器和电池；要求制造这种新型电池的材料储量丰富、可持续，并且无论对于环境还是人类都必须安全可靠。收集天然产生的能量是很多公司正在探索的另一种可持续实践。工业应用、物联网、消费类和医疗等市场都已成功试验和制造出了使用薄膜电池、超级电容器和能量收集设备进行供电的产品。虽然在提高此类方法的容量和制造工艺方面仍有待继续发展，但是一个迫在眉睫的问题需要驱动开发人员尽快解决：这些方法和实践的应用发展该驶向何方？