Lucha contra el impacto ambiental en la industria de los componentes electrónicos

Pero, ¿qué se puede hacer para combatir el problema y permitir un progreso continuo en este camino de evolución de la electrónica? Se están explorando varias ideas y tendencias nuevas en la industria para encontrar una solución.

Rolf Horn, ingeniero de Aplicaciones en Digi-Key Electronics.

Una tendencia más reciente relacionada con el impacto ambiental y la sostenibilidad es el deseo de un menor consumo de energía. No es raro que la gente tenga cinco o seis aparatos que funcionen con pilas en un momento dado. Piense en un teléfono móvil, un reloj inteligente, un portátil, una tableta, unos auriculares inteligentes y más. La tendencia general que se observa en esta esfera es un esfuerzo sostenido por producir menores necesidades de energía para estos dispositivos. El menor consumo de energía permite que las baterías y los dispositivos sean más pequeños. Otro beneficio de la reducción de la energía para los usuarios de los dispositivos es el mayor tiempo entre las cargas o el reemplazo de la batería.

Una tendencia específica que está surgiendo es sobre cómo se cargan las baterías. Los productos químicos de las baterías requieren perfiles de carga únicos para maximizar la vida de las baterías y, especialmente, para mantenerlas seguras, ya que se sabe que algunos productos químicos explotan si se cargan incorrectamente. La carga se ha convertido en una aplicación sofisticada que requiere la supervisión de la temperatura, el voltaje y la corriente de la batería con un ajuste variable de bucle cerrado durante el ciclo de carga. Una carga adecuada también aumenta la esperanza de vida de la batería. A medida que se desarrollen nuevos productos químicos, se espera que persista esta tendencia a la sofisticación de la carga. Una mayor duración de las baterías contribuye a un mayor uso de un dispositivo y, en última instancia, a una menor cantidad de desechos electrónicos en nuestros vertederos.

Hay una tecnología ecológica de almacenamiento de energía orgánica que es popular, pero no tan dominante como las baterías: los supercondensadores. No tienen la capacidad o la capacidad de almacenamiento a largo plazo de las baterías tradicionales, pero pueden cargarse mucho más rápido y pueden soportar muchos más ciclos de recarga que las baterías recargables tradicionales. Dado que los supercondensadores tienen un tiempo de autodescarga que se mide típicamente en semanas, las aplicaciones potenciales deben tener esto en cuenta. Múltiples proveedores ahora proveen súper condensadores y la Figura 1 muestra ejemplos de opciones de paquete de super condensadores de Kemet. Algunos dispositivos que utilizan condensadores en lugar de baterías pueden incluso cargarse utilizando la luz ambiental normal. Esto hace que el dispositivo sea un recolector de energía natural, utilizando la luz como fuente de energía para cargar regularmente un condensador para proporcionar cantidades útiles de energía. El movimiento, el diferencial de calor y la luz son probablemente las formas más populares de recolección de energía en la actualidad.

Figura 1: Varios estilos de paquetes de supercapacitores KEMET. (Fuente de la imagen: KEMET)

La recolección de energía es el proceso en el que la energía se deriva de fuentes externas como la energía solar, la energía térmica, la energía eólica y otras, y luego es capturada y almacenada. Las aplicaciones típicas son pequeños dispositivos autónomos inalámbricos como los que se utilizan en los dispositivos portátiles y en las redes de sensores inalámbricos. La Figura 2 ilustra algunas células solares IXOLAR™ de Littelfuse generalmente usadas para alimentar pequeños dispositivos electrónicos de baja potencia.

Figura 2: Células solares pequeñas IXOLAR™ de Littelfuse. (Fuente de la imagen: Littelfuse)

La recolección de energía se remonta al molino de viento y la noria, pero una fuerza impulsora detrás de la búsqueda de nuevos dispositivos de recolección de energía es el deseo de alimentar las redes de sensores y los dispositivos móviles sin baterías. Un caso de uso popular y creciente es la alimentación de sensores remotos desplegados en el campo que son difíciles y costosos de mantener para el reemplazo de la batería. También hay un interés considerable en la recolección de energía para abordar los problemas del cambio climático y el calentamiento global.

Digi-Key ofrece muchos tipos de placas de evaluación y demostración de recolección de energía así como los chips de administración de energía. El kit solar para interiores de Power Film (mostrado en la Figura 3) demuestra una solución completa e incluye sus paneles solares para interiores, así como un Consejo de Evaluación de la Gestión de la Energía de Recolección y Almacenamiento y una batería recargable. La placa de evaluación incorpora el módulo BLE nRF52832 de Nordic y el CI de gestión de energía/recolección de energía BQ25570 de Texas Instruments.

Figura 3: Kit solar de interior Power Film. (Fuente de la imagen: Power Film)

Otra opción alternativa sostenible son las baterías de película delgada flexibles e impresas, conocidas como baterías de película delgada de estado sólido. Las baterías de estado sólido son sólidas y sin geles ni líquidos dentro de su estructura. Están diseñados y fabricados con capas o películas muy finas de materiales, y su diseño delgado es parte de lo que los hace tan flexibles y atractivos para el mercado de los sensores vestibles. Muchas de estas baterías de estado sólido de película delgada satisfacen las necesidades del mercado en cuanto a delgadez y flexibilidad, pero a menudo siguen siendo diseñadas con productos químicos a base de litio u otros productos químicos que las hacen potencialmente tóxicas para el medio ambiente.

El uso generalizado y la toxicidad de ciertas baterías se vuelve problemático si se considera la gran cantidad de baterías que se tiran cada año. A medida que ha aumentado la demanda de dispositivos electrónicos como computadoras portátiles y teléfonos inteligentes, también lo ha hecho su contribución a la cantidad de desechos que se generan cada año. Por lo general, las baterías no son biodegradables y, si se desechan sin cuidado, pueden correr el riesgo de liberar metales tóxicos y sustancias químicas al suelo. Muchos países ahora tienen regulaciones sobre la eliminación de baterías y ofrecen programas de reciclaje. Estos programas ayudan a reciclar el metal en estas y pueden ayudar a frenar los impactos negativos de su eliminación en el medio ambiente. La Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos mantiene un sitio web con varias iniciativas y programas para la gestión sostenible de la electrónica.

Los reglamentos de eliminación de baterías, junto con la creciente necesidad de alimentar y conectar más dispositivos a la Internet de las cosas, están motivando a las empresas a explorar alternativas seguras y sostenibles a las peligrosas sustancias químicas de las baterías. La línea de baterías de película delgada de Molex es una de esas soluciones (Figura 4). A diferencia de sus primos de baterías de litio, estas baterías están diseñadas con una química de dióxido de zinc y manganeso y son más seguras y más convenientes para el usuario final.

Figura 4: Batería de película fina de Molex. (Fuente de la imagen: Molex)

Los casos de uso en la vida real ayudan a destacar las aplicaciones en las que se valoran mucho características como el perfil bajo, la flexibilidad, la eliminación y la huella pequeña, y en las que cabe esperar que el mercado de las baterías de película delgada siga creciendo. Un caso de uso particularmente interesante es el uso de baterías de película delgada en etiquetas de temperatura inteligentes de frecuencia ultra alta (UHF). Las etiquetas tienen aproximadamente el tamaño de una tarjeta de crédito y son un poco más gruesas que las impresoras estándar. Los gestores de la logística de la cadena de frío los utilizan para productos sensibles a la temperatura, como los productos farmacéuticos, los alimentos perecederos y las flores. Estas etiquetas inteligentes de temperatura utilizan una combinación de tecnologías que incluyen la identificación por radiofrecuencia (RFID), la detección inteligente de temperatura y las baterías impresas de película delgada para rastrear con precisión el tiempo y la temperatura durante el transporte y el almacenamiento de los productos.

Además, los mercados de consumidores, cosméticos y médicos están experimentando con aplicaciones para baterías de película delgada. En la encrucijada de los mercados de consumidores y cosméticos, hay una aplicación electrificada de máscara ocular. La máscara tiene un dispositivo de microcorriente compuesto por la batería flexible impresa, electrodos, cinta adhesiva y una hoja de cubierta. La colocación del parche en la piel crea instantáneamente un bucle de corriente, y el cosmético fluye desde los electrodos activos de la máscara hasta la piel. Otras aplicaciones del mercado de consumo de las baterías de película delgada se encuentran en los dispositivos electrónicos y deportivos de monitoreo que se pueden usar, incluyendo un parche sensor Bluetooth (BLE) de baja energía que se adhiere al costado de la cabeza de un palo de golf para medir la aceleración y la velocidad angular. Las aplicaciones médicas para las baterías desechables de película delgada incluyen dispositivos de diagnóstico, terapéuticos y de monitoreo para pacientes.

En los últimos decenios se han hecho grandes progresos en el desarrollo de nuevos y diferentes tipos de fuentes de energía y pilas para satisfacer a un mundo cada vez más ávido de alimentar los numerosos dispositivos y aplicaciones que se utilizan a diario. Más recientemente, las empresas han comenzado a desarrollar condensadores y baterías fabricados con materiales abundantes, sostenibles y seguros tanto para el medio ambiente como para las personas. El aprovechamiento de las energías naturales es otra práctica sostenible que muchas empresas están explorando. Mercados, como el industrial, la Internet de las cosas, el de consumo y el médico, ya han estado experimentando y fabricando con éxito productos alimentados por baterías de película delgada, supercondensadores y dispositivos de captación de energía. Se necesita un mayor desarrollo para aumentar la capacidad y la capacidad de fabricación de estos métodos, pero una cuestión apremiante sigue impulsando a los desarrolladores: ¿dónde pueden utilizarse estos métodos y prácticas a continuación?

Rolf Horn, ingeniero de Aplicaciones de Digi-Key Electronics, ha estado en el grupo de Soporte Técnico Europeo desde 2014 con la responsabilidad principal de responder a cualquier pregunta relacionada con el Desarrollo y la Ingeniería de los clientes finales en EMEA, así como escribir y revisar artículos y blogs alemanes en el TechForum de DK y las plataformas maker.io. Antes de Digi-Key, trabajó en varios fabricantes en el área de semiconductores, centrándose en sistemas FPGA integrados, microcontroladores y procesadores para aplicaciones industriales y de automoción. Rolf es licenciado en ingeniería eléctrica y electrónica por la Universidad de Ciencias Aplicadas de Munich, Baviera, y comenzó su carrera profesional en un distribuidor local de productos electrónicos como Arquitecto de Soluciones de Sistemas para compartir sus conocimientos y experiencia en constante crecimiento como Asesor de Confianza.

Aficiones: pasar tiempo con la familia y los amigos, viajar en el transportador VW-California y montar en moto en una BMW GS 100 de 1988.