對抗電子元件產業對環境的衝擊

電子產業已經對環境造成衝擊，並且會隨著產業不斷演進而持續影響。從正面影響來看，電子元件在發電、照明、馬達控制、感測器及其他許多應用中的使用量日益增多，不僅大幅提升能源效率，也提供環境的監控能力。但從負面影響來看，電子產品激增造成垃圾掩埋場出現大量的電子廢棄物、能源使用量增加，更導致有害物質釋放到環境中。哪些措施可以因應此問題，同時讓電子產業在演進過程中持續進步？為了尋找解決之道，業界正在探索幾個新的想法和趨勢。

降低功耗

有個與環境衝擊與永續性領域相關的較新趨勢就是追求更低的功耗。人們手邊隨時有五到六部電池供電式裝置已不足為奇，例如行動電話、智慧手錶、筆記型電腦、平板電腦、智慧耳機等等。此領域的整體趨勢就是持續努力降低這些裝置的電力需求。較低的功耗就能讓電池和裝置的尺寸更小。對於裝置使用者來說，降低功耗帶來的另一項優點就是降低充電或更換電池的頻率。

有個新竄起的明確趨勢與電池的充電方式有關。電池中的化學機制需採用獨特的充電曲線以便發揮最大的電池續航力，尤其是為了確保安全，因為有些化學物質若未正確充電，會有爆炸危險。充電已變成一種複雜的應用，必須在充電循環中利用封閉迴路及變數調整，來監測電池的溫度、電壓和電流。正確充電也能延長電池的預期壽命。隨著新型化學機制的開發，充電複雜化的趨勢預計會持續發展。電池壽命越長，裝置的使用時間就越長久，最終可減少垃圾掩埋場中的電子廢棄物。

目前有一種綠色有機能源儲存技術相當受歡迎，但不如電池普及，那就是超級電容。這些電容的蓄電量或長期儲存能力不如傳統電池，但相較於傳統充電式電池，其充電速度更快而且充電循環次數更多。由於超級電容的自放電時間通常以週數計算，因此未來在應用方面必須將這一點納入考量。目前有多家廠商可提供超級電容，如圖 1 所示的 KEMET 超級電容封裝選項。有些使用電容而非電池的裝置，甚至能夠使用一般環境光來充電。如此一來，裝置成為一種自然能源採集器，利用光線作為能量來源對電容定期充電，以提供實用的能源量。運動、溫差和光線可能是目前最受歡迎的能源採集形式。

圖 1：KEMET 超級電容的多種封裝樣式。(圖片來源：KEMET)

能源採集

能源採集是指能量源自於太陽能、熱能、風能等外部能源，然後對其進行擷取與儲存的過程。典型應用是小型、無線的自主裝置，例如穿戴式裝置和無線感測器網路中使用的裝置。圖 2 展示 Littelfuse 的一些 IXOLAR™ 太陽能電池，通常用來供電給低功耗小型電子裝置。

圖 2：Littelfuse 的 IXOLAR ™ 小型太陽能電池。(圖片來源：Littelfuse)

能源採集的歷史可追溯至風車和水車，但在幕後驅策著要尋求新型能源採集裝置的力量，則是想在不使用電池的情況下供電給感測器網路和行動裝置的期望。有個常見且不斷普及的使用案例是針對部署在現場的遠端感測器供電，因為這些感測器在更換電池方面，不但困難而且成本高昂。另外，能源採集在因應氣候變遷和全球暖化的問題上也有不少益處。

DigiKey 提供多種能源採集評估和展示板，以及獨立式電源管理晶片。Power Film 的室內太陽能套件 (如圖 3 所示) 即展示一套完整的解決方案，其中包含該公司的室內太陽能板，以及能源採集和儲存電源管理評估板與充電式電池。此評估板含有 Nordic 的 nRF52832 BLE 模組和 Texas Instruments 的 BQ25570 能源採集／電源管理 IC。

圖 3：Power Film 的室內太陽能套件。(圖片來源：Power Film)

拋棄式薄膜電池

另一種永續替代方案是撓性、印刷式薄膜電池，又稱為固態薄膜電池。顧名思義，固態電池就是內部結構為固態，沒有膠質或液體。電池以超薄的材料層或薄膜設計和製造，而這種超薄設計正是這類電池具有高度撓性，並受到穿戴式感測巿場青睞的原因之一。這類固態薄膜電池很多都能滿足市場對薄度和撓性的需求，但電池內部往往仍採用以鋰為主的化學物或其他化學物，因此可能毒害環境。

考量到每年都有大量的電池遭到丟棄，某些廣泛使用的電池及所含毒性就成了問題。對筆記型電腦和智慧型手機等電子裝置的需求增加，每年產生的廢棄物也隨之增加。電池通常無法進行生物降解，如果任意棄置，有毒金屬和化學物質就有可能會釋入土壤。如今，許多國家都有針對電池的棄置制訂法規並實施回收計畫。這些計畫有助於回收電池中的金屬，並有助於抑制電池棄置對環境造成的負面影響。美國環保署有負責維護一個網站，列出許多有利於永續管理電子裝置的方案和計畫。

電池棄置法規，再加上物聯網對電力及連接更多裝置的需求與日俱增，皆驅使企業探索既安全又具永續性的替代品，以取代電池中有害的化學物質。Molex 的薄膜電池系列就屬於這類解決方案 (圖 4)。與該公司鋰電池系列不同的是，此系列電池的化學機制採用鋅二氧化錳，能讓最終使用者更安全便利地進行棄置。

圖 4：Molex 的薄膜電池。(圖片來源：Molex)

從實際的使用案例可以看出，薄膜電池在重視纖薄、可撓性、可棄置性及小佔用面積等特性的應用中較有發揮空間，也可預見此巿場會持續蓬勃發展。有個使用案例特別值得一提，就是在超高頻 (UHF) 智慧型溫度掛牌中使用薄膜電池。這些掛牌的大小類似信用卡，厚度則比標準列印紙略厚。冷鏈物流管理員會在溫度敏感的產品上使用這些掛牌，例如醫藥產品、易變質食品和鮮花等。這些智慧型溫度掛牌採用多種技術組合，包括無線射頻識別 (RFID)、智慧溫度感測和印刷式薄膜電池，可在產品運送和儲藏期間精準追蹤時間與溫度。

此外，消費性產品、美容和醫療巿場，也正在測試薄膜電池應用的可行性。其中一個橫跨消費性和美容市場的應用就是帶電眼罩。這種眼罩採用的微電流裝置，是由撓性印刷電池、電極、膠帶和蓋板組成。將貼片置於皮膚上就會瞬間形成電流迴路，讓保養品從眼罩中的活性電極流向皮膚。薄膜電池在消費性巿場的其他應用，還有穿戴式電子裝置及運動監測裝置，例如貼附在高爾夫球桿桿頭側邊，用來測量加速度和角速度的低功率藍牙 (BLE) 感測器貼片。而拋棄式薄膜電池的醫療應用則包括病患診斷、治療及監測裝置。

在過去數十年間，我們在開發新型及不同類型的能源和電池方面大有斬獲，可滿足全球日常裝置和應用不斷增長的電力需求。最近，企業已著手使用蘊藏量豐富、可永續使用，且對環境及人體無害的材料開發電容和電池。對大自然產生的能量進行能源採集是許多公司正在探索的另一種永續做法。工業、物聯網、消費性及醫療等巿場，已成功地實驗和製造出以薄膜電池、超級電容和能源採集裝置供電的產品。為了提高這些作法的蓄電量和可製造性，需要投入更多的開發工作，但對開發人員來說，有個更迫切的問題：這些方法和做法之後可運用到何處？