Lotta all'impatto ambientale nel settore dei componenti elettronici

Il settore dell'elettronica ha esercitato un forte impatto sull'ambiente e continuerà a farlo mentre si evolve. L'aspetto positivo è che l'uso crescente dell'elettronica nella generazione di energia, nell'illuminazione, nel controllo dei motori, nei sensori e in molte altre applicazioni ha portato a grandi miglioramenti nell'efficienza energetica e nella capacità di monitorare e controllare il nostro ambiente. L'aspetto negativo è che la proliferazione dei prodotti elettronici ha portato a grosse quantità di rifiuti elettronici nelle discariche, a un aumento del consumo energetico e al rilascio di materiali pericolosi nell'ambiente. Ma che cosa si può fare per combattere il problema e al contempo permettere il progresso lungo questo percorso di evoluzione dell'elettronica? Il settore ha esplorato diverse nuove idee e tendenze per trovare una soluzione.

Basso consumo energetico

Una tendenza tra le più recenti in relazione all'impatto ambientale e alla sostenibilità è il desiderio di contenere il consumo energetico. Non è raro che le persone abbiano con sé cinque o sei dispositivi alimentati a batteria in ogni momento - si pensi a un cellulare, uno smartwatch, un laptop, un tablet, cuffie intelligenti e altro ancora. La tendenza generale in questo settore è lo sforzo sostenuto a ridurre la domanda di energia in questi dispositivi. Il minor consumo energetico permette di ridurre le dimensioni delle batterie e dei dispositivi. Un altro vantaggio per gli utenti è il tempo più lungo tra una ricarica e l'altra o fino alla sostituzione della batteria.

Una tendenza specifica in emergenza riguarda il modo in cui vengono caricate le batterie. Le sostanze chimiche delle batterie richiedono profili di carica unici per massimizzare la durata e, soprattutto, per tenerle al sicuro, poiché alcune sostanze chimiche sono note per esplodere se caricate in modo improprio. La carica è diventata un'applicazione sofisticata che richiede il monitoraggio della temperatura, della tensione e della corrente della batteria con regolazione variabile ad anello chiuso durante il ciclo di carica. Una carica adeguata aumenta anche la durata della batteria. Con lo sviluppo di nuovi prodotti chimici, si prevede che questa tendenza al perfezionamento della tariffazione persisterà. La maggiore durata delle batterie contribuisce a prolungare l'uso del dispositivo e, in ultima analisi, a ridurre la quantità di rifiuti elettronici nelle discariche.

Esiste una nota tecnologia ecocompatibile e organica per l'immagazzinaggio dell'energia, ma non diffusa quanto le batterie: i supercondensatori. Non hanno la capienza o la capacità di immagazzinaggio a lungo termine delle batterie tradizionali, ma possono essere caricati molto più velocemente e possono sostenere molti più cicli di ricarica rispetto alle batterie ricaricabili tradizionali. Poiché i supercondensatori hanno un tempo di autoscarica che viene tipicamente misurato in settimane, le potenziali applicazioni devono tenerne conto. Diversi fornitori forniscono ora supercondensatori e la Figura 1 mostra esempi di Kemet con le opzioni di confezionamento per supercondensatore. Alcuni dispositivi che utilizzano i condensatori al posto delle batterie possono anche essere caricati con la normale luce ambiente. Questo rende il dispositivo un energy harvester naturale, utilizzando la luce come fonte di energia per caricare regolarmente un condensatore e fornire quantità utili di energia. Il movimento, il differenziale termico e la luce sono probabilmente oggi le forme più note per l'energy harvesting.

Figura 1: Vari stili di contenitori per i supercondensatori di KEMET. (Immagine per gentile concessione di KEMET)

Energy harvesting

L'energy harvesting è il processo in cui l'energia viene ricavata da fonti esterne, ad esempio energia solare, energia termica, energia eolica e altre, catturata e immagazzinata. Le applicazioni tipiche sono piccoli dispositivi wireless autonomi come quelli utilizzati nei dispositivi indossabili e nelle reti di sensori wireless. La Figura 2 illustra alcune celle solari IXOLAR™ di Littelfuse tipicamente utilizzate per alimentare piccoli dispositivi elettronici a bassa potenza.

Figura 2: Le piccole celle solari IXOLAR™ di Littelfuse (Immagine per gentile concessione di Littelfuse)

L'energy harvesting risale al mulino a vento e alla ruota idraulica, ma la forza trainante della ricerca di nuovi dispositivi per l'energy harvesting è il desiderio di alimentare le reti di sensori e i dispositivi mobili senza batterie. Un caso d'uso diffuso e in crescita è l'alimentazione di sensori remoti impiegati sul campo, che sono difficili e costosi da manutenere quando occorre sostituire le batterie. Vi è anche un notevole interesse nell'energy harvesting per affrontare le questioni del cambiamento climatico e del riscaldamento globale.

DigiKey offre molti tipi di schede dimostrative e di valutazione per l'energy harvesting, nonché singoli chip di gestione della potenza. I kit solari per interni di Power Film (Figura 3) dimostrano una soluzione completa e comprendente pannelli solari per interni, nonché una scheda di valutazione per energy harvesting e immagazzinaggio dell'energia e una batteria ricaricabile. La scheda di valutazione incorpora il modulo BLE nRF52832 di Nordic e il CI di energy harvesting/gestione energetica BQ25570 di TI.

Figura 3: Kit solare per interni di Power Film (Immagine per gentile concessione di Power Film)

Batterie a film sottile monouso

Un'alternativa sostenibile è costituita da batterie flessibili, stampate, a film sottile, note come batterie a film sottile allo stato solido. Le batterie allo stato solido sono esattamente come dice il loro nome: solide; non contengono perciò gelatina o liquidi al loro interno. Queste batterie sono realizzate con strati molto sottili o film di materiali, caratteristica che contribuisce alla loro estrema flessibilità ed esercita un grande richiamo sugli operatori del settore dei prodotti indossabili. Molte di queste batterie a film sottile allo stato solido rispondono alle esigenze del mercato per quanto riguarda lo spessore ridotto e la flessibilità ma la loro composizione chimica, spesso, è ancora a base di litio o di altre sostanze che le rendono potenzialmente tossiche per l'ambiente.

La diffusione e la tossicità di alcune batterie divengono problematiche se consideriamo le quantità che vengono smaltite ogni anno. Con l'aumento della domanda di dispositivi elettronici come laptop e smartphone è cresciuto anche il loro contributo ai rifiuti prodotti ogni anno. Le batterie in genere non sono biodegradabili e se smaltite in maniera disattenta possono rilasciare metalli tossici e sostanze chimiche nel terreno. Molti paesi si sono dotati di normative sullo smaltimento delle batterie e offrono programmi di riciclaggio, che contribuiscono a recuperare il metallo che contengono, frenando in parte l'impatto negativo sull'ambiente dovuto alla loro eliminazione. L'Environmental Protection Agency statunitense offre un sito web con una serie di iniziative e programmi per la gestione sostenibile dei componenti elettronici.

Le normative sullo smaltimento delle batterie, insieme al crescente bisogno di alimentare e collegare un numero crescente di dispositivi all'Internet delle cose, stanno spingendo le aziende a studiare metodi alternativi sicuri e sostenibili alle composizioni chimiche pericolose delle batterie. Una soluzione di questo tipo arriva da Molex e dalla sua linea di batterie a film sottile (Figura 4). A differenza delle loro analoghe al litio, queste batterie contengono diossido di zinco manganese e sono più sicure e facili da smaltire per l'utente finale.

Figura 4: Batteria a film sottile di Molex (Immagine per gentile concessione di Molex)

Esempi tratti dalla vita reale ci aiutano a capire in quali applicazioni il profilo ribassato, la flessibilità, la riciclabilità e l'ingombro compatto delle batterie a film sottile sono molto apprezzati e dove possiamo prevedere che il loro mercato continuerà ad espandersi. Un caso particolarmente interessante consiste nell'uso di batterie a film sottile nei tag di temperatura intelligenti a frequenza ultra-alta (UHF). Questi tag sono delle dimensioni di una carta di credito e poco più spessi di un normale foglio di carta per la stampante. Vengono usati dai manager della logistica del freddo per i prodotti sensibili alla temperatura come quelli farmaceutici, i cibi deperibili e i fiori. Questi tag di temperatura intelligenti utilizzano una combinazione di tecnologie tra cui identificazione in radiofrequenza (RFID), rilevamento intelligente della temperatura e batterie a film sottile stampate per tracciare con precisione il tempo e la temperatura durante il trasporto e la conservazione dei prodotti.

Inoltre, il mercato dei beni di largo consumo, dei cosmetici e quello medico stanno sperimentando applicazioni per le batterie a film sottile. All'incrocio tra il mercato dei beni di largo consumo e quello dei cosmetici troviamo ad esempio la maschere oculari elettriche. La maschera dispone di un dispositivo a microcorrente composto da una batteria stampata flessibile, elettrodi, nastro adesivo e di un foglio protettivo. Posizionando la benda sulla pelle si crea immediatamente un circuito di corrente e la sostanza cosmetica fluisce dagli elettrodi attivi della maschera alla pelle. Altre applicazioni delle batterie a film sottile destinate al mercato dei beni di largo consumo sono i dispositivi indossabili di monitoraggio elettronici e per lo sport, compreso un sensore adesivo Bluetooth Low Energy (BLE) che si applica lateralmente sulla testa di una mazza da golf per misurare l'accelerazione e la velocità angolare. Le applicazioni mediche delle batterie a film sottile monouso includono i dispositivi diagnostici, di cura e di monitoraggio del paziente.

Negli ultimi decenni sono stati fatti molti progressi nello sviluppo di nuovi e diversi tipi di batterie per far fronte alle esigenze di un mondo sempre più affamato dell'energia necessaria ad alimentare il gran numero di dispositivi e di applicazioni che si usano quotidianamente. Più di recente le aziende hanno iniziato a sviluppare condensatori e batterie con materiali che si trovano in abbondanza, sostenibili e sicuri sia per l'ambiente sia per le persone. L'energy harvesting di energie naturali è un'altra pratica sostenibile che molte aziende stanno studiando da vicino. Il mercato industriale, dell'Internet delle cose, dei beni di largo consumo e medicale hanno già sperimentato con successo e realizzato prodotti alimentati da batterie a film sottile, supercondensatori o dispositivi di energy harvesting. Occorre concentrarsi sull'aumento della capacità e della producibilità di questi metodi ma la domanda che assilla gli sviluppatori è: quali sono questi metodi e le pratiche del futuro?