Combattre l'impact environnemental dans l'industrie des composants électroniques

L'industrie électronique a et continuera d'avoir un impact sur notre environnement au fur et à mesure de son évolution. D'un point de vue positif, l'utilisation croissante de l'électronique dans la production d'énergie, l'éclairage, la commande moteur, les capteurs et de nombreuses autres applications a permis d'améliorer considérablement le rendement énergétique et la capacité à surveiller et à contrôler notre environnement. D'un point de vue négatif, la prolifération des produits électroniques a entraîné d'importants déchets électroniques dans nos décharges, une consommation d'énergie accrue et le rejet de matières dangereuses dans notre environnement. Mais que peut-on faire pour lutter contre ce problème et permettre des avancées continues sur la voie de l'évolution électronique ? Plusieurs nouvelles idées et tendances sont explorées dans l'industrie pour trouver une solution.

Consommation énergétique inférieure

Une nouvelle tendance en matière d'impact environnemental et de durabilité est le désir de réduire la consommation d'énergie. Il n'est pas rare que les gens aient sur eux cinq ou six appareils fonctionnant sur batterie à tout moment, qu'il s'agisse d'un téléphone portable, d'une montre connectée, d'un ordinateur portable, d'une tablette, d'écouteurs intelligents et plus. La tendance générale observée dans ce domaine est un effort soutenu pour réduire les besoins en énergie de ces appareils. Une consommation d'énergie plus basse permet des batteries plus petites et des appareils plus compacts. Un autre avantage d'une basse consommation est le temps plus long entre les charges ou avant le remplacement de la batterie.

Une tendance spécifique se dessine sur la manière dont les batteries sont chargées. La chimie des batteries exige des profils de charge uniques pour maximiser leur durée de vie et surtout pour les protéger, car certaines substances chimiques sont connues pour exploser si elles sont mal chargées. La charge est devenue une application sophistiquée qui nécessite de surveiller la température, la tension et le courant de la batterie avec un ajustement variable en boucle fermée pendant le cycle de charge. Une charge correcte augmente également l'espérance de vie des batteries. Cette tendance à la sophistication de la charge devrait se poursuivre avec le développement de nouvelles chimies. Une durée de vie plus étendue des batteries contribue à une utilisation plus longue d'un appareil et, à terme, à une réduction des déchets électroniques dans nos décharges.

Il existe une technologie de stockage d'énergie verte et organique qui est populaire, mais pas aussi répandue que les batteries : les supercondensateurs. Ils n'ont pas la tenue ou la capacité de stockage à long terme des batteries traditionnelles, mais ils peuvent être rechargés beaucoup plus rapidement et peuvent supporter beaucoup plus de cycles de recharge que les batteries rechargeables traditionnelles. Comme les supercondensateurs ont un temps d'autodécharge qui se mesure généralement en semaines, les applications potentielles doivent en tenir compte. Plusieurs fournisseurs proposent désormais des supercondensateurs et la Figure 1 montre des exemples d'options de supercondensateurs de KEMET. Certains appareils utilisant des condensateurs plutôt que des batteries peuvent même être chargés en utilisant l'éclairage ambiant normal, ce qui en fait des récupérateurs d'énergie naturelle, utilisant la lumière comme source d'énergie pour charger régulièrement un condensateur afin de fournir des quantités d'énergie utiles. Le mouvement, le différentiel de chaleur et la lumière sont probablement les formes les plus populaires de récupération d'énergie actuellement.

Figure 1 : Différents styles de boîtiers de supercondensateurs de KEMET. (Source de l'image : KEMET)

Récupération d'énergie

La récupération d'énergie est le processus par lequel l'énergie est dérivée de sources externes comme l'énergie solaire, l'énergie thermique, l'énergie éolienne et autres, puis est capturée et stockée. Les applications typiques sont les dispositifs compacts autonomes sans fil, comme ceux utilisés dans les dispositifs corporels et les réseaux de capteurs sans fil. La Figure 2 illustre quelques cellules solaires IXOLAR™ de Littelfuse typiquement utilisées pour alimenter de petits appareils électroniques basse consommation.

Figure 2 : Petites cellules solaires IXOLAR™ de Littelfuse. (Source de l'image : Littelfuse)

La récupération d'énergie remonte à l'époque de l'éolienne et de la roue hydraulique, mais le désir d'alimenter les réseaux de capteurs et les appareils mobiles sans batterie est un élément moteur de la recherche de nouveaux dispositifs de récupération d'énergie. Un cas d'utilisation populaire et croissant est l'alimentation de capteurs à distance déployés sur le terrain, qui sont difficiles et coûteux à entretenir pour le remplacement des batteries. Il existe également un intérêt considérable pour la récupération d'énergie afin de répondre aux problèmes du changement climatique et du réchauffement de la planète.

DigiKey propose de nombreux types de cartes d'évaluation et de démonstration de récupération d'énergie ainsi que des puces de gestion de l'alimentation individuelles. Le kit solaire intérieur de Power Film (illustré à la Figure 3) présente une solution complète et inclut des panneaux solaires intérieurs ainsi qu'une carte d'évaluation de récupération d'énergie et de gestion du stockage et une batterie rechargeable. La carte d'évaluation intègre le module BLE nRF52832 de Nordic et le circuit intégré de récupération d'énergie/gestion de l'alimentation BQ25570 de Texas Instruments.

Figure 3 : Kit solaire intérieur de Power Film. (Source de l'image : Power Film)

Batteries à couches minces jetables

Une autre option durable consiste à utiliser des batteries imprimées et flexibles à couches minces, appelées batteries à couches minces à l'état solide. Comme leur nom l'indique, ces batteries sont solides : il n'y a pas de gel ni de liquide à l'intérieur de leur structure. Elles sont conçues et fabriquées avec de très fines couches de matériaux. C'est cette conception fine qui les rend particulièrement flexibles et intéressantes pour le marché des capteurs corporels. De nombreux modèles de batteries à couches minces à l'état solide répondent aux besoins du marché en termes de finesse et de flexibilité, mais sont néanmoins encore conçus avec des chimies à base de lithium ou d'autres chimies potentiellement néfastes pour l'environnement.

L'usage répandu et la toxicité de certaines batteries sont devenus problématiques, compte tenu de la grande quantité de batteries jetées chaque année. La demande en matière d'appareils électroniques tels que les ordinateurs portables et les smartphones a augmenté, et cette demande croissante fait exploser la quantité de déchets générés chaque année. Les batteries ne sont généralement pas biodégradables. Lorsqu'elles sont jetées sans précautions particulières, elles peuvent libérer des métaux et des composants toxiques qui risquent de s'infiltrer dans le sol. De nombreux pays ont mis en place des réglementations en matière de mise au rebut des batteries et proposent désormais des programmes de recyclage. Ces programmes permettent de recycler les métaux utilisés dans les batteries et peuvent contribuer à réduire les impacts négatifs de la mise au rebut des batteries sur l'environnement. L'Agence pour la protection de l'environnement aux États-Unis gère un site Web présentant un certain nombre d'initiatives et de programmes pour la gestion durable de l'électronique.

Les réglementations relatives à l'élimination des batteries, associées au besoin croissant d'alimenter et de connecter davantage de dispositifs à l'Internet des objets, incitent les entreprises à explorer des alternatives sûres et durables aux chimies dangereuses utilisées dans les batteries. La ligne de batteries à couches minces de Molex offre une solution (Figure 4). Contrairement aux batteries au lithium, ces batteries sont conçues avec une chimie de dioxyde de manganèse-zinc, et sont plus sûres et plus faciles à éliminer par l'utilisateur.

Figure 4 : Batterie à couches minces de Molex. (Source de l'image : Molex)

Des cas d'utilisation concrets permettent de mettre en avant les applications dans lesquelles certaines fonctionnalités sont très appréciées (format extra-plat, flexibilité, facilité de mise au rebut et empreinte réduite) et pour lesquelles le marché des batteries à couches minces peut continuer d'évoluer. L'utilisation de batteries à couches minces dans les étiquettes de température intelligentes ultra-haute fréquence (UHF) est particulièrement intéressante. Les étiquettes font à peu près la taille d'une carte de crédit et sont légèrement plus épaisses qu'une feuille de papier standard. Elles sont utilisées par les responsables logistiques de la chaîne du froid pour les produits thermosensibles, comme les produits pharmaceutiques, les denrées périssables et les fleurs. Ces étiquettes de température intelligentes utilisent une combinaison de technologies, notamment la radio-identification (RFID), la détection de température intelligente et les batteries à couches minces imprimées pour suivre avec précision le temps écoulé et la température pendant le transport et le stockage du produit.

De plus, les marchés des produits grand public, cosmétiques et médicaux testent actuellement des applications utilisant des batteries à couches minces. À la croisée des marchés grand public et cosmétiques, il existe une application de masque pour les yeux à impulsions électriques. Le masque intègre un dispositif à micro-courant composé d'une batterie imprimée flexible, d'électrodes, de ruban adhésif et d'une feuille de protection. Le placement du patch sur la peau crée instantanément une boucle de courant, et le produit cosmétique circule des électrodes actives dans le masque et vers la peau. D'autres applications grand public utilisent les batteries à couches minces. C'est notamment le cas des dispositifs électroniques corporels et des dispositifs de suivi de l'activité physique. Par exemple, un patch de capteur Bluetooth Low Energy (BLE) se fixe sur le côté de la tête d'un club de golf pour mesurer l'accélération et la vitesse angulaire. Les applications médicales dans lesquelles sont utilisées les batteries à couches minces jetables incluent les dispositifs de diagnostic, de traitement et de surveillance des patients.

Au cours des dernières décennies, d'énormes progrès ont été réalisés dans le développement de nouveaux types de sources d'énergie et de batteries afin de répondre aux besoins croissants liés à l'alimentation des nombreux dispositifs et applications utilisés au quotidien. Plus récemment, certaines entreprises ont commencé à développer des condensateurs et des batteries fabriqués avec des matériaux répandus, durables et sûrs pour l'environnement et pour les personnes. La récupération des énergies naturelles est une autre pratique durable que de nombreuses entreprises explorent. Divers marchés, notamment les marchés industriels, Internet des objets, grand public ou médicaux, expérimentent et fabriquent déjà des produits alimentés par des batteries à couches minces, des supercondensateurs et des dispositifs à récupération d'énergie. Un développement plus poussé est nécessaire pour augmenter la capacité et la fabricabilité de ces méthodes, mais une question urgente continue d'animer les développeurs : dans quelles applications utiliser ces méthodes et pratiques de demain ?