Bekämpfung von Umweltbelastungen durch die Elektronikkomponentenindustrie

Die Elektronikindustrie hat sich auf unsere Umwelt ausgewirkt und wird auch weiterhin Einfluss nehmen, während sie sich weiter entwickelt. Positiv ist zu vermerken, dass der zunehmende Einsatz von Elektronik in der Stromerzeugung, Beleuchtung, Motorsteuerung, Sensorik und vielen anderen Anwendungen zu dramatischen Verbesserungen der Energieeffizienz und der Fähigkeit zur Überwachung und Kontrolle unserer Umwelt geführt hat. Negativ zu vermerken ist, dass die Verbreitung elektronischer Produkte zu beträchtlichem Elektroschrott in unseren Deponien, zu erhöhtem Energieverbrauch und zur Freisetzung gefährlicher Materialien in unsere Umwelt geführt hat. Aber was können wir tun, um dieses Problem zu bekämpfen und gleichzeitig weiter mit der digitalen Entwicklung Schritt zu halten? In der Branche werden mehrere neue Ideen und Trends untersucht, um eine Lösung zu finden.

Niedrigere Stromaufnahme

Ein neuerer Trend, der im Bereich Umweltschutz und Nachhaltigkeit beobachtet werden kann, ist das Streben nach einem geringeren Stromverbrauch. Es ist nicht ungewöhnlich, dass Menschen fünf oder sechs batteriebetriebene Geräte bei sich tragen - denken Sie an ein Mobiltelefon, eine intelligente Uhr, einen Laptop, ein Tablet, einen intelligenten Kopfhörer und mehr. Im Allgemeinen wird nachhaltig darauf hingearbeitet, den Stromverbrauch dieser Geräte zu reduzieren. Der geringere Stromverbrauch ermöglicht kleinere Batterien und kleinere Geräte. Ein weiterer Vorteil der geringeren Leistung für Gerätebenutzer ist die längere Zeitspanne zwischen dem Aufladen oder dem Batteriewechsel.

Ein besonderer Trend zeichnet sich bei der Art und Weise ab, wie Batterien geladen werden. Die in den Batterien enthaltenen Chemikalien erfordern spezifische Ladeprofile, damit die Lebensdauer der Batterien maximiert und die Batterien selbst sicher verwendet werden können. Einige Chemikalien sind dafür bekannt bzw. berüchtigt, bei unsachgemäßem Laden zu explodieren. Der Ladevorgang hat sich zu einem anspruchsvollen Anwendungsbereich entwickelt, der die Überwachung von Temperatur, Spannung und Strom in der Batterie mit einer geschlossenen, variablen Anpassung während des Ladezyklus beinhaltet. Durch ordnungsgemäß durchgeführte Ladevorgänge kann zudem die Lebensdauer der Batterien verlängert werden. Mit der ständigen Weiterentwicklung der verwendeten Chemikalien können wir davon ausgehen, dass der Trend hin zum fortschrittlichen Laden anhalten wird. Eine längere Batterielebensdauer trägt dazu bei, dass ein Gerät länger genutzt wird und letztendlich weniger Elektroschrott auf unseren Mülldeponien anfällt.

Es gibt bereits eine saubere, organische Energietechnologie, die zwar beliebt, aber nicht so allgegenwärtig wie Batterien ist: Superkondensatoren. Sie weisen nicht die Kapazität traditioneller Batterien auf, können jedoch sehr viel schneller geladen werden und überstehen deutlich mehr Aufladezyklen als herkömmliche wiederaufladbare Batterien. Da Superkondensatoren eine Selbstentladungszeit haben, die typischerweise in Wochen gemessen wird, muss dies bei potenziellen Anwendungen berücksichtigt werden. Mehrere Anbieter bieten jetzt Superkondensatoren an, und Abbildung 1 zeigt Beispiele für Superkondensator-Optionen von KEMET. Einige Geräte, in denen Kondensatoren anstelle von Batterien (Akkus) eingesetzt werden, können sogar mithilfe des normalen Umgebungslichts aufgeladen werden. Dies macht die Komponenten zu natürlichen Energiesammlern (Energy Harvester), die Licht als Energiequelle nutzt, um einen Kondensator regelmäßig aufzuladen und nützliche Energiemengen zu liefern. Bewegung, Temperaturunterschiede und Licht gehören derzeit wahrscheinlich zu den beliebtesten Formen des Energy Harvesting.

Abbildung 1: Verschiedene Bauformen für Superkondensatoren von KEMET. (Bildquelle: KEMET)

Energy Harvesting

Bei der Energiegewinnung, dem Energy Harvesting, wird Energie aus externen Quellen gewonnen (u. a. Sonnenenergie, Wärmeenergie oder Windenergie) und gespeichert. Typische Anwendungen sind kleine, drahtlos vernetzte autonome Geräte, wie sie in Wearable-Geräten und drahtlosen Sensornetzwerken verwendet werden. Abbildung 2 veranschaulicht einige IXOLAR™-Solarzellen von Littelfuse, die typischerweise zur Stromversorgung kleiner elektronischer Geräte mit geringer Leistung verwendet werden.

Abbildung 2: Kleine IXOLAR™-Solarzellen von Littelfuse. (Bildquelle: Littelfuse)

Der Prozess der Energiegewinnung (Energy Harvesting) wurde bereits vor langer Zeit in Verbindung mit Windmühlen und Wassermühlen genutzt. Inzwischen wird die Suche nach neuen Komponenten für das Energy Harvesting jedoch zunehmend von dem Wunsch bestimmt, Sensornetzwerke und mobile Geräte ohne Batterien zu nutzen. Ein beliebter und wachsender Anwendungsfall ist die Stromversorgung von vor Ort eingesetzten Fernsensoren, deren Batteriewechsel schwierig und kostspielig ist. Das verstärkte Interesse am Energy Harvesting ist zudem mit dem Kampf gegen den Klimawandel und die globale Erwärmung verbunden.

DigiKey bietet viele Arten von Evaluierungs- und Demoboards für das Energy Harvesting sowie die einzelnen Energiemanagement-Chips an. Das Solarkit für Innenräume (siehe Abbildung 3) von Power Film zeigt eine Komplettlösung und umfasst die Solarmodule für Innenräume sowie eine Evaluierungskarte für Energiegewinnung (Energy Harvesting) und -speicherung sowie einen Akku. Das Evaluierungsboard umfasst das BLE-Modul nRF52832 von Nordic und den IC BQ25570 von Texas Instruments für „Energy Harvesting“/Energiemanagement.

Abbildung 3: Solarenergiekit für Innenräume von Power Film (Bildquelle: Power Film)

Einweg-Dünnschichtbatterien

Eine weitere nachhaltige Alternative stellen flexible, gedruckte Dünnschichtbatterien dar, die auch als Festkörper-Dünnschichtbatterien bezeichnet werden. Bei Festkörperbatterien ist der Name Programm: Sie beinhalten ein festes Innenleben – ohne Gel und Flüssigkeiten. Sie werden aus sehr dünnen Materialschichten oder -folien entwickelt und hergestellt. Aufgrund ihres dünnen Designs bleiben sie flexibel und kommen häufig auf dem Wearable-Sensorik-Markt zum Einsatz. Der vom Markt geforderte dünne Formfaktor und die Flexibilität werden von diesen Festkörper-Dünnschichtbatterien erfüllt. Häufig werden sie jedoch mit Lithium-basierten oder anderen Chemikalien hergestellt, wodurch sie eine potenziell toxische Gefahr für die Umwelt darstellen.

Der weit verbreitete Einsatz und die Toxizität bestimmter Batterien werden dann problematisch, wenn wir die riesige Anzahl entsorgter Batterien pro Jahr betrachten. Die steigende Nachfrage nach elektronischen Geräten sorgt dafür, dass Laptops, Smartphones usw. einen immer größeren Anteil am jährlich entsorgten Müll ausmachen. Batterien sind im Allgemeinen nicht biologisch abbaubar. Wenn sie achtlos entsorgt werden, besteht die Gefahr, dass toxische Metalle und Chemikalien in den Boden gelangen. Viele Länder haben inzwischen Vorschriften für die Entsorgung von Batterien und entsprechende Recycling-Programme umgesetzt. Dank dieser Programme können die aus den Batterien entnommenen Metalle wiederverwertet und die negativen Auswirkungen der Batterieentsorgung auf die Umwelt eingedämmt werden. Die Umweltschutzbehörde der Vereinigten Staaten unterhält eine Website mit einer Reihe von Initiativen und Programmen zur nachhaltigen Verwendung von Elektronik.

Die Vorschriften für die Entsorgung von Batterien sorgen in Verbindung mit dem steigenden Bedarf in Bezug auf Betrieb und Vernetzung weiterer Geräte mit dem Internet der Dinge dafür, dass Unternehmen Alternativen zu gefährlichen Batteriechemikalien suchen, die sicher und nachhaltig sind. Das Sortiment aus Dünnschichtbatterien von Molex ist eine solche Lösung (Abbildung 4). Im Gegensatz zu ihren Vettern, den Lithiumbatterien, wurden diese Batterien mit einer Zinkmangandioxid-Chemie entwickelt und sind für den Endverbraucher sicherer und bequemer zu entsorgen.

Abbildung 4: Dünnschichtbatterie von Molex. (Bildquelle: Molex)

Anwendungsfälle aus der Praxis können besser verdeutlichen, in welchen Anwendungen Merkmale wie ein geringes Profil, Flexibilität, Entsorgungsfähigkeit und eine geringe Grundfläche geschätzt werden und wo wir von einem weiteren Wachstum des Marktes für Dünnschichtbatterien ausgehen können. Die Nutzung von Dünnschichtbatterien in intelligenten UHF-Temperatur-Tags ist ein besonders interessanter Anwendungsfall. Diese Tags sind etwa so groß wie eine Kreditkarte und ein wenig dicker als standardmäßiges Kopierpapier. Sie werden in der Kühlkettenlogistik zur Überwachung von temperaturempfindlichen Produkten wie pharmazeutischen Produkten, verderblichen Nahrungsmitteln und Blumen verwendet. Diese intelligenten Temperatur-Tags beinhalten verschiedene Technologien. Dazu gehören die Funkfrequenzerkennung (RFID), die intelligente Temperaturerfassung und gedruckte Dünnschichtbatterien für die genaue Messung der Zeit und Temperatur beim Transport und der Lagerung von Produkten.

Darüber hinaus findet ein experimenteller Einsatz von Dünnschichtbatterien in den Märkten für Verbrauchergüter, Kosmetik und medizinischen Produkten statt. Bei der elektrischen Augenmaske kommt es zur Überschneidung von Verbraucher- und Kosmetikmarkt. Diese Maske beinhaltet eine Mikrostromkomponente, die eine flexible gedruckte Batterie, Elektroden, Klebeband und ein Abdeckblatt umfasst. Wird der Patch auf die Haut gesetzt, entsteht sofort eine Stromschleife, und das Kosmetikum fließt von den aktiven Elektroden in der Maske in die Haut. Elektronische Wearables und Überwachungsgeräte für den Sportbereich sind weitere Verbrauchermarktanwendungen von Dünnschichtbatterien. Ein Beispiel dafür ist der energiearme Bluetooth-Sensor-Patch (BLE), der an der Seite eines Golfschlägers angebracht wird, um die Beschleunigung und Winkelgeschwindigkeit zu messen. Medizinische Anwendungen für einmalig einsetzbare Dünnschichtbatterien beinhalten Geräte für die Diagnostik, Therapie und Überwachung von Patienten.

In den letzten Jahrzehnten ist die Entwicklung neuer und verschiedener Arten von Energiequellen und Batterien unglaublich schnell vorangeschritten, um den immer stärker steigenden Energiebedarf vieler Geräte und Anwendungen zu stillen, die wir tagtäglich im Einsatz haben. Und erst vor kurzer Zeit sind Unternehmen dazu übergegangen, Kondensatoren und Batterien aus Materialien zu entwickeln, die reichlich vorhanden, nachhaltig und sicher für Umwelt und Menschen sind. Das Energy Harvesting natürlich auftretender Energien stellt eine weitere nachhaltige Möglichkeit dar, die von vielen Unternehmen immer stärker berücksichtigt wird. Erste Versuche mit dem Einsatz und der Fertigung von Produkten, die mit Dünnschichtbatterien, Superkondensatoren und Komponenten für das Energy Harvesting betrieben werden, konnten auf den Märkten für industrielle Anwendungen, für das Internet der Dinge, Verbraucherprodukte und medizinische Produkte bereits erfolgreich umgesetzt werden. Die Entwicklung muss jedoch fortgesetzt werden, damit die Kapazität gesteigert werden kann und die Herstellung dieser Methoden vereinfacht wird. Dabei treibt eine wichtige Frage die Entwickler stets an: Wo können wir diese Methoden als Nächstes einsetzen?