CN103502883B - 电致变色装置 - Google Patents

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Abstract

一种电致变色装置（1），包括具有离子导电电解质层（20）的层状结构（11）。所述离子导电电解质层（20）包括吸收电磁辐射的颗粒（30）；所述颗粒（30）是电导性的。所述颗粒（30）具有波长大于700nm的主要的光吸收范围。

Description

电致变色装置
技术领域
本发明总体上涉及电致变色装置。
背景技术
电致变色材料具有根据充电状态改变它们的颜色的特性。电致变色器材已经被开发用于许多不同的应用，其范围包括例如用于显示的眼镜。一种典型的应用称为智能窗户。通过改变施加的穿过在窗户玻璃处提供的薄膜的电压，该窗户可被变成深色，因而它显然降低透射光的量。在以下情形是特别重要的：太阳光的量较大时，人们想降低穿过窗户透射入房间内的光和/或热的量。通常需要在深色外表和浅色外表之间提供快速转变，使得窗户的颜色状态的控制是取决于例如人是否在房间内。同时，也需要尽可能完成转变，例如，从非常透明状态转变为几乎黑色。
即使利用目前的电致变色装置可取得满意的对可见光的透射的控制，仍然会产生对于透过窗户的热传导的控制问题。在采用电致变色装置所提供的窗户的大多数例子中，从透过窗户的光获得热量的需求通常是低的。相反，在现有技术的大多数例子中，透过智能窗户的热传导的需求是非常大的。当窗户是透明时，并不总是需要或者想要将红外辐射光透射进入房间内。因此，在现有技术中电致变色器材的不同应用中，仍然存在对于过高热量传导的许多问题。
相关的现有技术
在已公布的欧洲专利申请EP1715493A1中，揭示了一种离子导体和电化学显示装置。该离子导体包括：有机聚合物的细颗粒，该有机聚合物含有质量比为20-80%的无机化合物的超细颗粒；以及电解溶液，该溶液注入所述有机聚合物的细颗粒中，具有特殊的表面积，通过BET方法测量为30m2/g或更大。
在美国专利US5,011,751中，揭示了一种电化学装置。该电化学装置包括：一对电极，以及插入电极之间的固体或类固体的复合电解质，包括不具有或者实质上不具有电导性的均匀的球形颗粒，这些颗粒是分散在所述固体或类固体的复合电解质中。
发明内容
本发明的主要目的在于降低穿透电致变色装置的热的传导量。本发明的次要目的在于增加在电致变色装置的有色状态和褪色状态之间的转变速度。
上述目的是根据所附的独立权利要求的所述的装置来获得的。在从属权利要求中限定了优选的具体实施方式。总的来说，本发明所述的电致变色装置包括具有离子导电电解质层的层状结构。所述离子导电电解质层包括吸收电磁辐射的颗粒。所述颗粒是电导性的。所述颗粒具有波长大于700nm的主要的光吸收范围。
本发明的一个优势是：提供了一些电致变色装置，这些装置限制了热量传导，同时保持关于可见光的所需性能。
附图说明
本发明以及他的进一步目标和优势，将通过参考以下说明书以及所附的附图而得以最好的理解。在这些附图中：
图1是一种电致变色装置的具体实施方式的示意图。
图2A和图2B是显示在微利的IR范围内的吸收率的图表。
具体实施方式
在这些附图中，相同的附图标记是用于类似的或相应的元件。
降低穿过电致变色装置的热传导的一种方法是提供具有IR吸收或反射材料的薄膜的装置。除了找到合适的材料之外，这种附加的薄膜可增加所述电致变色装置的复杂性，并通常需要额外的制造步骤。
本发明的一个基础内容是采用具有层状结构的电致变色装置的电解层。导电材料的颗粒具有吸收光的特性。当光碰撞时，在这些颗粒中发生等离子体共振，这会吸收特定波长的光的能量。根据例如颗粒的导电性、尺寸和形状，这种吸收的峰可发生波长上的移动。
图1显示了一种电致变色装置1的具体实施方式。本发明所述的电致变色装置1，它是一种非自擦除型的装置，包括层状结构11。该层状结构11包括离子导电电解质层20，其层压在第一半室2与第二半室3之间。因此，该离子导电电解质层20在一侧接触电致变色层16，能传导电子和离子。该离子导电电解质层20在另一侧是相对电极层18。该相对电极层18能够传导电子和离子，并用作离子存储层。这个相对电极层18可以完全或部分地由第二电致变色薄膜来构建。中央的三层结构16、18、20是定位在第一电导层12与第二电导层14之间，分别接触电致变色层16和相对电极层18。第一电导层12与第二电导层14是分别相对于第一基底22和第二基底24来配置的。因此，第一半室2包括第一电导层12和电致变色层16，而第二半室3包括第二电导层14和相对电极层18。
需注意的是，在本说明书的不同附图中的各层的相对厚度并不代表真实的尺度关系。通常，基底是比其他层更厚。所画出的这些附图仅是用于表明连接原理的目的，而不是给出任何尺度上的信息。
这样的一种电致变色装置1是通过在所述层状结构11的两侧上的第一电导层12与第二电导层14之间施加外部电压脉冲而变换为有色或褪色状态，导致电子和离子在电致变色层16和相对电极层18之间移动。因而，电致变色层16将会改变其颜色。电致变色层16的非排他性示例是基于以下化合物的阴极着色薄膜：钨、钼、铌、钛、铅和/或铋的氧化物，或者基于以下化合物的阳极着色薄膜：镍、铱、铁、铬、钴和/或铑的氧化物、氢氧化物和/或碳氧化物。
第一基底22和第二基底24的至少一种基底必须是透明的，以便将电致变色层16的电致变色特性展示给周围环境。在目前的一个典型示例中，采用塑料基底。在大多数通常的例子中，塑料基底是合成的或半合成的聚合产品。该塑料基底通常是由它的聚合物骨架来分类的。可能的塑料基底的非排他性示例是：聚碳酸酯、聚氨酯、聚丙烯酸类、氨酯碳酸酯共聚物、聚砜、聚酰亚胺、聚丙烯酸酯、聚醚、聚酯、聚乙烯、聚烯烃、聚酰胺、聚硫化物、聚乙酸乙烯酯和纤维素基聚合物
第一电导层12与第二电导层14的至少一个结构也必须是透明的。对于可见光是透明的电导物的非排他性示例是：氧化铟锡(ITO)、氧化锡、氧化锌、n-或p-掺杂的氧化锌与氟氧化锌的薄膜。近年来，也已经探索采用例如ZnS/Ag/ZnS的金属基的层以及碳纳米管和石墨烯层。根据特定的应用，第一电导层12与第二电导层14的其中一个或者两个结构可以是由金属格栅或金属丝网制成的。
如上所述，相对电极层18可包括电致变色材料与非电致变色材料。相对电极层18的非排他性示例是：基于以下化合物的阴极着色薄膜：钨、钼、铌、钛、铅和/或铋的氧化物，或者基于以下化合物的阳极着色薄膜：镍、铱、铁、铬、钴和/或铑的氧化物、氢氧化物和/或碳氧化物，或者例如基于铈的氧化物与活性炭的非电致变色薄膜。钒氧化物也是电致变色的，但它们不容易被分类为阴极着色或者阳极着色。这些材料的结合物也可被用作相对电极层18。
离子导电电解质层20包括离子导电材料。该离子导电电解质层20可以是透明的或者不透明的，有色的或者无色的，取决于具体的应用。电解质类型的一些非排他性示例是：固体聚合物电解质（SPE），例如带有溶解锂盐的聚(氧化乙烯)；凝胶聚合物电解质（GPE），例如聚(甲基丙烯酸甲酯)和带有锂盐的碳酸丙烯酯和混合物；符合凝胶聚合物电解质（CGPE），它们是类似于GPE，但带有附加的第二聚合物，例如聚(氧化乙烯)；以及液体电解质（LE），例如碳酸乙烯酯/带有锂盐的碳酸二乙酯的溶液混合物；以及符合有机-无机电解质（CE），包括带有附加的TiO2、硅化物或其他氧化物的液体电解质（LE）。所采用的锂盐的一些非排他性示例是：LiTFSI[双(三氟甲基)磺酰亚胺锂]、LiBF4[四氟硼酸锂]、LiAsF6[六氟砷酸锂]、LiCF3SO3[三氟甲磺酸锂]和LiClO4[高氯酸锂]。
所述离子导电电解质层20包括吸收电磁辐射的颗粒30。这些颗粒30是电导性的。这些颗粒30是适合于吸收电磁辐射的。这类颗粒的不同具体实施例将在下面进一步描述。
在前面提及的文献EP1715493A1中，细颗粒是被用在电解质中，但是用于多种完全不同的原因。而且，该文献所限定的成分是非电导性的，因为例如没有任何掺杂的氧化锡是绝缘体。也参考在文献US5,011,751中，导电颗粒是被用于其他目的，因此这些颗粒是被描述为优选为没有电导性。因此，本领域任何技术人员不能显而易见地改变根据这些文献的教导而获得根据本发明所述的装置。
除了上面所述的可选的特性，这类颗粒还被发现为可增加电解质的离子导电性。这些颗粒自身当然不能传导任何离子，但已经发现，在固体材料和离子导电电解质之间的交接区域内，离子是被更有效导电的。通过将固体颗粒混合进入离子导电电解质层20中，可增加整体的离子导电性。因此，所述的电致变色装置可以在有色状态和无色状态之间以更快的速度来转换。通过采用上述的这些可选的活性颗粒，在控制的光吸收和增加的离子导电性之间可获得协同效应。
在离子导电电解质层内采用颗粒的优点并不限于与图1相关的描述中所述的特定类型的电致变色装置。因为在这些特性上的效果是可应用的，本发明可被应用到所有的电致变色装置，这些装置具有层状结构，该层状结构包括离子导电电解质层。
在所述离子导电电解质层内的颗粒可以具有对于所述电致变色装置的操作和外观的不同影响。为了适合进入所述的离子导电电解质层，这些颗粒的尺寸必须是比所述离子导电电解质层的宽度更小。与层宽度的尺寸相同的导电颗粒将危及通过所述离子导电电解质层应用的电学领域。同时，如果包括过于大量的颗粒，通过该离子导电电解质层建立连续电导途径是有风险的。通常，这样的考虑因素是非常相关的，因为通常有其他限制因素。
颗粒导致光的散射。在所述离子导电电解质层内的光散射将会使光变成散播。这样的效应可被用于特定的应用中，例如，需要传播一些光但需要阻止清晰的视线的窗户，也就是，在“被霜覆盖的”的窗户等类似的应用中。
然而，在大多数应用中，穿过所述电致变色装置的清晰视线是需要的，且光散射必须被限制到人眼无法觉察的波长。因为颗粒不会散射的光的波长是比颗粒的尺寸长得多，在这样的应用中，优选是采用小于400nm的颗粒。更为优选地，可采用小于100nm尺寸的颗粒。
小颗粒的光吸收特性是取决于许多因素。在大多数例子中，要求所述电致变色装置在它的褪色状态中必须是尽可能无色的，这意味着所述离子导电电解质层也必须是无色的。因此，在这样的例子中，优选地将颗粒的光吸收度调整到可见光范围之外的波长，或者调整到至少在可见光谱的眼镜最敏感的那些部分之外的波长。因此，优选地，这些颗粒具有波长大于700nm的主要的光吸收范围。更优选地，这些颗粒具有波长大于750nm的主要的光吸收范围。
然而，在特定的应用中，还是需要转变在褪色状态的颜色。在这些应用中，这些颗粒的至少一部分光吸收可被转变为也在可见波长范围内发生。
在颗粒中的光吸收是取决于许多因素。一个重要的因素是导电性。高导电性材料在可见光范围内具有它们的大部分光吸收。然而，当该导电性降低时，总的趋势是：吸收峰被取代为更长的波长。如果该导电性是足够低时，光吸收会仅发生在近红外区或者红外区内，而将使可见区更多或更少地不受影响。然而，需要注意的是，为了能够吸收任何IR辐射，这些颗粒必须是导电的。
对于这些颗粒的合适材料的选择，有一些令人感兴趣的可能性。透明的导电氧化物是可能的选择。这样的透明导电氧化物已经被用于许多电致变色装置的其他方面，因此，可以确信是容易地整合到商业生产中。透明导电氧化物的示例是：例如掺杂的氧化锡、掺杂的氧化锌、掺杂的氧化铟、掺杂的氧化钨，以及掺杂的氧化钛。掺杂的水平是可以容易地进行控制的，以便在这些氧化物中获得不同的导电性。此外，结晶程度也会影响光吸收。
根据现有技术的任意知识，可以实施所述的掺杂。因为所需要的是导电性，而不是化学特性，掺杂成分的化学性质是不重要的，只要提供的是导电性。因此，所述的掺杂基本上可以根据任意现有技术的方法来实施，且掺杂的成分基本上可根据任意现有技术的原理来选择。
对于颗粒的材料的另一个选择是热致变色材料。如果温度升高至特定的转变温度时，热致变色材料具有改变它们的透明度的特性。除了它们在红外波长区域的吸收特性，如果超过转变温度，它们还可以在可见光区显示光吸收性。因此，在特定的应用中，采用包括热致变色材料的颗粒可以是具有优势的，该热致变色材料可被混合进入离子导电电解质层。这样的热致变色材料的示例可以从例如金属氧化物或者金属硫化物中找到。也可采用有机热致变色材料。热致变色材料的最常见的例子是二氧化钒，纯的形式或者掺杂一种或几种掺杂物，根据已知的工艺。
在所述颗粒中，也可以包含其他材料。一个例子是例如包含LaB6的颗粒。
用于吸收的波长区域可以不仅是取决于该材料自身。诸如颗粒的形状等其他因素也可影响光吸收。因为光吸收取决于在颗粒中等离子体的激活，也即是，传导电子的共同运动的激活，几何构型也会产生影响。因此，高度延长的颗粒会存在不同的吸收特性，相比于例如具有更紧凑形状的颗粒。
单一类型的颗粒具有特定的吸收范围。图2A显示了这样一种单一颗粒类型的吸收。然而，该吸收范围可被限制在波长内。这意味着即使主吸收峰发生在IR区域，也会有大量的IR辐射波长是几乎不受影响的。因此，优选地，如果在所述离子导电电解质层中提供的这些颗粒是有不同类型时，会有漂移，但吸收范围会发生重叠。这样的情形是显示在图2B中。这里，几种类型的颗粒被混合在一起，这样产生更宽的波长范围的吸收。所示的例子仅是一个示例性的图解。实际上，个别吸收光谱的形状、位置和幅度可以在许多不同构造中进行变化。优选地，它们一起覆盖宽的波长范围。例如，这种混合可通过包含具有不同导电性的颗粒的电解质层来获得。另一种选择方式是包含具有不同颗粒形状的颗粒的电解质层。也可采用同时具有不同导电性和不同形状的颗粒。
上述的具体实施方式都是作为本发明的一些示例性的例子以供理解。本领域技术人员应当明确，可以对这些具体实施方式做出多种不同的修饰、结合和改变，这些都不会脱离本发明的范围。实际上，在不同具体实施方式中的不同部分的解决方案可以被结合到其他构造中，只要技术上是可行的。然而，本发明的保护范围是由所附的权利要求来限定的。

Claims (13)

1.一种电致变色装置（1），包括：
层状结构（11），具有离子导电电解质层（20）；
所述离子导电电解质层（20）包括吸收电磁辐射的颗粒（30）；
其特征在于：
所述颗粒（30）是电导性的；
所述颗粒（30）具有波长大于700nm的主要的光吸收范围；以及
所述颗粒（30）包括热致变色材料。
2.根据权利要求1所述的电致变色装置，其特征在于：所述颗粒（30）具有小于400nm。
3.根据权利要求2所述的电致变色装置，其特征在于：所述颗粒（30）具有小于100nm的尺寸。
4.根据权利要求1所述的电致变色装置，其特征在于：所述颗粒（30）具有波长大于750nm的主要的光吸收范围。
5.根据权利要求1所述的电致变色装置，其特征在于：所述颗粒（30）包括透明的导电氧化物。
6.根据权利要求5所述的电致变色装置，其特征在于：所述颗粒（30）包括以下至少一种氧化物：
掺杂的氧化锡；
掺杂的氧化锌；
掺杂的氧化铟；
掺杂的氧化钨；以及
掺杂的氧化钛。
7.根据权利要求1所述的电致变色装置，其特征在于：所述热致变色材料包括以下至少一种材料：
金属氧化物；
金属硫化物；以及
有机热致变色材料。
8.根据权利要求7所述的电致变色装置，其特征在于：所述热致变色材料包括以下至少一种材料：
二氧化钒；以及
掺杂的二氧化钒。
9.根据权利要求1所述的电致变色装置，其特征在于：所述颗粒（30）包括LaB6。
10.根据权利要求1所述的电致变色装置，其特征在于：所述离子导电电解质层（20）包括具有不同导电性的颗粒（30）。
11.根据权利要求1所述的电致变色装置，其特征在于：所述离子导电电解质层（20）包括具有不同形状的颗粒。
12.根据权利要求1至11之一所述的电致变色装置，其特征在于：所述层状结构（11）包括层压在第一半空间（2）与第二半空间（3）之间的所述离子导电电解质层（20），所述第一半空间（2）包括与电致变色层（16）相接触的第一电传导层（12），所述第二半空间（3）包括与相对电极层（18）相接触的第二电传导层（14）；所述电致变色层（16）和所述相对电极层（18）是与所述离子导电电解质层（20）相接触的。
13.根据权利要求12所述的电致变色装置，其特征在于：所述层状结构（11）还包括在所述第一电传导层（12）和所述第二电传导层（14）上分别提供的相互接触的第一基底（22）和第二基底（24）。
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