微观能量收集的宏观环境效应

近几十年来，消费产品越来越依赖于电池供电。这种转变也发生在电动汽车和智能基础设施等新产品类别中。对电池技术的依赖导致锂、锌、钴和锰等原材料的开采呈指数级增长。近年来，开采和处理如此大量的金属对环境造成越来越大的污染。本文考察了这种情况的短暂性，并认为无处不在的微能量收集可以成为以整体方式解决问题的有前途的解决方案。

废电池污染

据Business Insider称，过去5年锂年产量翻了一番多；其提取具有严重的环境后果 (1, 2)。在智利、刚果和西藏，对当地生态、水污染和土地退化的不可逆转的破坏迫使数十万当地社区成员放弃他们的祖传土地 (15)。与此同时，近年来处理如此大量的电池正成为一项重大的环境挑战。

每年处理 150 亿个原电池，我们污染了超过 30 万平方公里的土地，大约相当于德国的面积 (7)。

澳大利亚国立大学的研究人员进行的一项研究 (3) 发现，电池处理对海洋生态具有极其有害的影响。一节 AAA 原电池可污染多达 400 升的水和 20 平方米的土地。丢弃电池的不良影响往往超出环境影响，仅在美国，每年就有超过 3500 例儿童吞食纽扣电池的报告 (9)。随着我们对电池的依赖逐年增加，这些影响只会变得更糟。

图 2：锂产量

智能基础设施的发展在很大程度上依赖于无处不在的传感器，这些传感器通常由碱性一次性电池供电。Statista 预测到 2025 年将有超过 700 亿台联网设备。考虑到电池需要的能量是其所能提供的能量的 50 倍，因此延长我们使用的每个电池的使用寿命至关重要。

最近的可持续发展趋势

最近的消费趋势和对可持续产品和服务的需求已经开始扭转潮流。Globenews 认为，客户忠诚度将受到公司对可持续发展承诺的高度控制 (5)。现代消费者甚至愿意支付溢价以换取较低的环境足迹 (6)。

最近对不同人群进行的一项调查表明，三分之一的人愿意为可持续产品支付比原价高 25% 的价格。研究发现，与其他年龄组相比，Z 世代愿意多支付 50% 到 100%。

这导致了对负责任的电池生命周期管理的一系列研究。最常见的方法之一是全球范围内的合法回收框架 (10, 11)。欧盟的绿党/全民教育联盟 (16) 也提出了类似的政策：

“必须确保欧洲向可持续发展过渡的一个关键行业是电池。我们需要电池生产和（再）使用的可持续性标准，以及市场上所有电池的完全回收义务。然而，它们并不是特别成功，这从微不足道的 5% 电池回收率中可以看出。” – Sven Giegold，全民教育

然而，绿党/全民教育委托的学术研究发现了如此低的回收率背后的各种原因。锂回收的潜在范围可能很复杂，因为这种材料具有毒性、高反应性和易燃性。由于非常低的收集率和有缺陷的废物立法，它往往被焚烧或最终被填埋。低收集率、低且波动的锂市场价格以及相对于初级生产的高回收成本导致锂回收的缺乏（17）。

能量收集的影响

看待这个问题的另一种方法是专注于延长电池寿命，而不是试图提高回收率和流程。在某些消费产品和物联网实施中，可充电电池的能量收集是一个很有前途的领域，它可以显着延长电池寿命，同时降低总拥有成本。此处的能量收集是指有效利用环境能源（如太阳能、温度梯度、射频和振动）为设备供电。消费电子公司正在认识到这一优势并将能量收集整合到他们的产品路线图中：

“如果不能正确回收，原电池会对环境造成很大危害。为了减少来自消费电子产品和物联网传感器的电池废物污染，应该考虑使用寿命更长的可充电单元。将能量收集与可充电电池解决方案相结合，可以显着减少环境足迹和总拥有成本。” – Gary Tu，全球销售，长虹电器

它不仅通过减少被丢弃的原电池数量来帮助环境，而且还通过降低原材料的开采量来帮助环境，因为当前的电池寿命更长。我们的长期目标应该是以尽可能少的环境足迹有效利用自然资源。

这方面的一个例子是无处不在且不可疑的遥控器。目前全世界有超过 20 亿个电视遥控器 (8)。据索尼称，平均电视遥控器电池的使用寿命不到 6 个月 (13)，相当于每年丢弃 40 亿块原电池。当包括空调、音乐系统等其他设备的遥控器时，这个数字甚至更高。在许多情况下，仔细实施能量收集可以无限期地延长电池寿命，从而消除更换电池的需要。TW Electronics 等领先的电视遥控器制造商已经开始努力，不仅要减少环境足迹，还要改善消费者体验：

“电视遥控器几乎总是由原电池供电，但我们看到近年来对可充电解决方案的需求不断增加。环保是欧洲和北美每个主要运营商的首要需求。在 TW Electronics，我们正在开展多个项目，以在不久的将来减少消费电子产品的碳足迹。能量收集是减少电池废物造成的环境污染的有前途的方法之一。它还无需定期更换或充电电池，从而提供更好的消费者体验。” – Andy Hopkins，TW Electronics 销售总监

当我们考虑电子货架标签 (ESL) 时，可以实现类似的环境效益。一家杂货店在任何给定时间平均销售大约 30,000 件商品 (14)。考虑到 ESL 电池的典型使用寿命为 3 年，这意味着您当地的超市每年会丢弃大约 10,000 块电池。在全球范围内，ESL 市场预计到 2025 年将增长超过 2B 美元 (12)，这大致转化为销售量超过 5 亿台。使用正确的能量收集解决方案，典型的 ESL 电池寿命可以延长到超出 ESL 本身的寿命。从长远来看，这会对环境产生巨大影响。

远离消费电子产品，通过在物联网领域整合能量收集可以实现重大的积极影响。更希望利用自然产生的环境能量为远程传感器供电，而不是通过电缆或可更换的碱性电池为其供电。Statista 预计到 2023 年底将有 215 亿个物联网传感器，这大致相当于许多额外的原电池。平均市售电池寿命为 5 年，我们每年将更换和丢弃超过 40 亿个电池。通过能量收集，可以大大减少废弃电池的数量，从而对世界生态产生积极影响。下图提供了在上述情况下集成能量收集的综合环境效益。

图 3：能量收集对环境的积极影响

从上图可以明显看出，能量收集的广泛采用可以对环境和总拥有成本产生重大的积极影响。有不同的方法可以降低我们对环境的影响，例如有效的回收技术、新的制造方法、可持续材料的选择等。能量收集是从整体上解决这个问题的有前途的方法之一。

能量收集不仅减少了最终进入垃圾填埋场的电池数量，还降低了开采原材料的数量，从而改善了整个价值链。

主要电池制造商已经认识到清洁能源的重要性并对整个供应链产生积极影响。松下环境愿景 2050 状态 —

“为了实现更美好的生活和可持续的全球环境，松下将致力于创造和更有效地利用超过能源使用量的能源，旨在建设一个拥有清洁能源和更舒适生活方式的社会。”

当我们能够有效地收集和利用我们周围的环境能量时，我们只能想象所获得的环境和其他利益的规模。

审核编辑 黄昊宇