一种互补型电致变色能量存储器件及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种互补型电致变色能量存储器件及其制备方法。所述互补型电致变色能量存储器件包括沿设定方向依次层叠设置的第一衬底、第一导电层、阴极电致变色膜层、液态电解质层、阳极电致变色膜层、第二导电层和第二衬底，所述第一衬底和第二衬底密封地相互结合并限定一空腔，液态电解质填充设置于所述空腔中形成液态电解质层，所述液态电解质层包括游离态Al

【技术实现步骤摘要】
一种互补型电致变色能量存储器件及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种电致变色能量存储器件，具体涉及一种互补型电致变色能量存储器件及其制备方法，属于电致变色器件


技术介绍

[0002]近年来，一种新型电致变色能量存储器件将电致变色与电化学储能相结合，在着色或褪色过程中将所消耗的能量储存在器件中，并在相反的电致变色工作中释放电能。因为释放的能量经过整合、调节，提供给其他用电器，使得能量回收、再利用，所以在电致变色的循环工作中建筑的总体能量消耗可以显著降低，因此，电致变色能量存储双功能器件有望成为下一代智能节能器件的主流之一。例如，Jianbo Pan等人采用水热法制备的WO3与NiO
‑
PB薄膜的着色效率高达109.6cm2/C，其着色的器件还能点亮LED灯。例如，Kun Xu等人引入了碳纳米管电极改善了聚苯胺(PANI)的电化学性能，其PANI着色效率高达120cm2/C，而且，具有高达175.6F/g的比电容储能特性。
[0003]迄今为止，传统的电致变色器件常采用H
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、Li
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和Na
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等单价离子作为传导离子。目前，基于单价传导离子的电致变色器件仍然面临着诸多问题，这制约着这类器件的实际应用。首先，H
+
作为传导离子电解质具有一定弱酸性，能够腐蚀金属氧化物电极表面，并且，在较高工作电压下容易发生析氢反应，从而难以获得高稳定性电致变色器件。其次，锂离子基电致变色器件中，活泼的Li
+
容易在其活性界面处发生副反应，形成锂枝晶，从而限制了电致变色器件长期稳定性。此外，锂元素丰度低、成本高，也限制了这类器件的应用。最后，由于Na
+
的半径较大且反应动力学较慢，因此，钠离子基电致变色器件发展被受限。
[0004]铝元素具有丰度高，成本低，处理安全，离子半径小等优势，因此，新型铝离子基电解质有希望替代H
+
、Li
+
和Na
+
等传统单价离子基电解质。理论上，铝离子具有更高电荷数，因此能够获得更高的电解质/电极界面比容量。不同于单价离子，Al
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的插层引入了较强的库伦静电力，在一定程度上稳定了晶体结构，从而提高了反复的插层/脱出而导致的结构退化性能。研究表明，Al
3+
作为传导离子的电解质可以为WO3电致变色电极带来快速的开关速度、高的光学对比度和高稳定性。Shengliang Zhang等人利用铝离子电解质设计了一种可见光和红外双频电致变色智能窗，其着色效率可达121cm2/C。然而，其能量存储性能较差，且循环稳定性受限(2000圈后电容下降了5.5％)。例如，Ling Wang等人采用锂铝混合电解质制备的电致变色器件的面积容量达到了933mAh/m2。然而，其循环稳定性受限(1000圈后电容下降了28％)。结果表明，三价离子Al
3+
可以作为一种高效的插层离子，利用纳米结构的金属氧化物作为主体电极材料，使电致变色器件具有理想的快速开关、高对比度和高稳定性。
[0005]目前，WO3和NiO被认为是最有希望的无机电致变色材料，基于Li
+
电解质体系构建互补型电致变色器件面临着如下问题：(1)WO3和NiO电致变色电极薄膜在基于Li
+
电解质体系中容易获得可以接受的光学调制、高着色效率等性能，然而，过于活泼的Li
+
容易在界面处形成锂枝晶，这种副反应导致了WO3和NiO薄膜的电致变色性能逐渐失效，从而难于获得
长期稳定的电致变色器件；(2)由于Li
+
单价离子属性，弱的库伦强静电力和低电荷存储能密度，对主体材料的体积膨胀引起结构坍塌的抑制作用有限，并且，对电荷能量密度等储能特性的提升有限。
[0006]针对以上问题，现有的解决方案主要是：第一，对于电化学沉积法制备WO3和NiO薄膜，引入Li
+
聚合物胶体溶液作为电解质，构建WO3‑
NiO互补型电致变色器件，但该方案的缺点是光学调制低，循环稳定性差。第二，对于磁控溅射法制备WO3和NiO薄膜，引入Ta2O5界面修饰层和LiNbO3电解质，逐层制备互补型电致变色能量存储双功能器件，但该方案的缺点是器件的能量存储密度低，循环稳定性差。第三，对于电化学沉积法制备WO3薄膜，引入Zn
2+
/Al
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聚合物水凝胶作为电解质，以锌箔为对电极制备柔性电致变色器件，但该方案的缺点是器件循环稳定性差。
[0007]因此，十分有必要研发Al
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作为传导离子的电解质的新型互补型电致变色能量存储双功能器件。

技术实现思路

[0008]本专利技术的主要目的在于提供一种互补型电致变色能量存储器件及其制备方法，以克服现有技术的不足。
[0009]为实现以上专利技术目的，本专利技术采用了如下所述的技术方案：
[0010]本专利技术实施例提供了一种互补型电致变色能量存储器件，其包括沿设定方向依次层叠设置的第一导电层、阴极电致变色膜层、液态电解质层、阳极电致变色膜层、第二导电层，所述液态电解质层包括游离态Al
3+
和溶剂。
[0011]在一些优选实施例中，所述互补型电致变色能量存储器件包括沿设定方向依次层叠设置的第一衬底、第一导电层、阴极电致变色膜层、液态电解质层、阳极电致变色膜层、第二导电层和第二衬底，所述第一衬底和第二衬底密封地相互结合并限定一空腔，液态电解质填充设置于所述空腔中，形成所述液态电解质层。
[0012]进一步地，所述液态电解质中游离态Al
3+
的浓度为0.01～0.5mol/L。
[0013]进一步地，所述游离态Al
3+
来源于高氯酸铝、氯化铝、三氟甲磺酸铝、仲丁醇铝、硫酸铝、硝酸铝、草酸铝等中的任意一种或两种以上的组合。
[0014]进一步地，所述阴极电致变色膜层的材质包括WO3、MoO3或Nb2O5等。
[0015]进一步地，所述阳极电致变色膜层的材质包括NiO、MnO2或IrO2等。
[0016]本专利技术实施例还提供了所述互补型电致变色能量存储器件的制备方法，其包括：
[0017]提供第一衬底，在所述第一衬底上依次沉积第一导电层、阴极电致变色膜层，得到沉积有阴极电致变色膜层的第一衬底；
[0018]提供第二衬底，在所述第二衬底上依次沉积第二导电层、阳极电致变色膜层，得到沉积有阳极电致变色膜层的第二衬底；
[0019]以密封材料将所述第一衬底、第二衬底密封地相互结合并限定一空腔；以及，
[0020]将液态电解质层填充设置于所述空腔中，形成液态电解质层，获得所述互补型电致变色能量存储器件。
[0021]较之现有技术，本专利技术的优点包括：
[0022]本专利技术提供的互补型电致变色能量存储器件引入Al
3+
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种互补型电致变色能量存储器件，其特征在于包括沿设定方向依次层叠设置的第一导电层、阴极电致变色膜层、液态电解质层、阳极电致变色膜层、第二导电层，所述液态电解质层包括游离态Al
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和溶剂。2.根据权利要求1所述的互补型电致变色能量存储器件，其特征在于包括沿设定方向依次层叠设置的第一衬底、第一导电层、阴极电致变色膜层、液态电解质层、阳极电致变色膜层、第二导电层和第二衬底，所述第一衬底和第二衬底密封地相互结合并限定一空腔，液态电解质填充设置于所述空腔中，形成所述液态电解质层。3.根据权利要求2所述的互补型电致变色能量存储器件，其特征在于：所述液态电解质中游离态Al
3+
的浓度为0.01～0.5mol/L。4.根据权利要求1或2所述的互补型电致变色能量存储器件，其特征在于：所述游离态Al
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来源于高氯酸铝、氯化铝、三氟甲磺酸铝、仲丁醇铝、硫酸铝、硝酸铝、草酸铝中的任意一种或两种以上的组合；和/或，所述溶剂包括碳酸丙烯脂和/或丙烯酰胺单体。5.根据权利要求1或2所述的互补型电致变色能量存储器件，其特征在于：所述阴极电致变色膜层的材质包括WO3、MoO3或Nb2O5；和/或，所述阳极电致变色膜层的材质包括NiO、MnO2或IrO2。6.根据权利要求1或2所述的互补型电致变色能量存储器件，其特征在于：所述液态电解质层的厚度为50～1000μm；和/或，所述阴极电致变色膜层的厚度为100～800nm；和/或，所述阳极电致变色膜层的厚度为100～80...

【专利技术属性】
技术研发人员：张洪亮，刘盛，曹鸿涛，王振华，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：