CN104111568A

CN104111568A - 一种可电致变色、电化学储能和驱动电子设备的智能玻璃

Info

Publication number: CN104111568A
Application number: CN201410306571.8A
Authority: CN
Inventors: 麦文杰; 杨培华; 陈中威; 孙鹏; 谭绍早; 蔡祥
Original assignee: Jinan University
Current assignee: Jinan University
Priority date: 2014-06-30
Filing date: 2014-06-30
Publication date: 2014-10-22
Anticipated expiration: 2034-06-30
Also published as: CN104111568B

Abstract

本发明属于能源储存技术领域，公开了一种可电致变色、电化学储能和驱动电子设备的智能玻璃及其制备和应用。该玻璃具有变色性能，同时具有储存电能并驱动电子设备的功效，可用于光线调节及电力供应。其制备方法为：(1)在透明导电玻璃基片沉积变色物质，形成电极材料；(2)通过电极材料-电解质-电极材料的叠加形式组合，得到可电致变色和电化学储能的智能玻璃。该制备方法简单易行，可工业化生产，所得到的智能玻璃既可用于智能窗口领域，亦可用于电化学储能领域储存和输出电能驱动电子设备，作为超级电容器，面积电容高达21.3mF·cm^-2，光调节能力高达63.7％。

Description

一种可电致变色、电化学储能和驱动电子设备的智能玻璃

技术领域

本发明属于能源储存技术领域，特别涉及一种可电致变色、电化学储能和驱动电子设备的智能玻璃及其制备和应用。该玻璃具有变色性能，同时具有储存电能并驱动电子设备的功效，可用于光线调节及电力供应。

背景技术

在外加电场条件发生变化时，材料或材料体系对不同波长光的吸收、透射和反射等光学性质随之发生可逆变化，这类材料称之为电致变色材料。电致变色材料在军事伪装及太阳能利用等领域具有广阔应用前景，目前人们对以平板玻璃为基板的电致变色器件研究逐步成熟，部分产品已推向市场。申请号为98126400.X的中国专利申请在透明导电玻璃上采用溶胶凝胶法制备了可以电致变色的氧化镍(NiO)薄膜；申请号为200710179549.1的中国专利申请在掺锡氧化铟玻璃基片上依次沉积的氧化钨薄膜、偏硼酸锂和硫酸锂混合物薄膜、镍氧化物薄膜、掺锡氧化铟薄膜，提供了一种无机全固态电致变色元件及其制备方法。

能源短缺和环境恶化是当今社会普遍关注的问题，寻找清洁的能源和可再生的能源已经成为世界各国共同关注的热点问题。超级电容器是一种性能介于电池与传统电容器之间的新型、高效、实用的能量存储装置，具有功率密度高、使用寿命长、环境友好等优点。随着电子材料器件的发展，具有多功能性的储能器件已经成为新材料研究和发展的一个重要方向。公开号为CN102509635A的中国专利申请以碳布为导电基底，合成了碳颗粒/MnO₂纳米结构，制备了全固态超级电容器。

本发明提供了一种可电致变色和超级电容器性能同时可驱动电子设备的智能玻璃，本发明还提供了该玻璃可用于车辆、建筑物、广告牌等领域中，既具有玻璃原来的挡风、隔离等功效，还具有变色、装饰、美观等功效，同时还具有储存电能的功效，且通过转换，使变色储存的能量重新输出，可给手机、笔记本电脑等小型电器提供电力的应用。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种可电致变色、电化学储能和驱动电子设备的智能玻璃的制备方法。

本发明另一目的在于提供上述方法制备的可电致变色、电化学储能和驱动电子设备的智能玻璃。

本发明再一目的在于提供上述可电致变色、电化学储能和驱动电子设备的智能玻璃在建筑、广告、各种玻璃饰品及电化学储能器件中的应用。

本发明的目的通过下述方案实现：

一种可电致变色、电化学储能和驱动电子设备的智能玻璃的制备方法，包括以下步骤：

(1)在透明导电玻璃基片沉积变色物质，形成电极材料；

(2)通过电极材料-电解质-电极材料的叠加形式组合，得到可电致变色和电化学储能和驱动电子设备的智能玻璃；

其中，沉积的变色物质层处于透明导电玻璃基片与电解质之间。

所述透明导电玻璃基片优选为掺氟氧化锡(FTO)或者氧化铟锡(ITO)的玻璃基片。

所述的变色物质指具有变色及电容性能的金属氧化物或者聚合物。

所述的金属氧化物优选为氧化钨(WO₃)、氧化镍(NiO)或氧化钒(V₂O₅)。

所述的聚合物优选为聚苯胺(PANI)、聚吡咯(Ppy)或聚乙撑二氧噻吩(PEDOT)。

所述沉积的方法可为一般的物理气相沉积、化学气相沉积、电化学沉积、旋涂法以及水热法等多种方法。

所述沉积得到的变色物质层厚度可为50～500nm。

所述电解质可为常用的电解质液体或胶体。

所述液体的浓度优选为0.1～5mol·L^-1。

所述胶体的浓度优选为0.5～5mol·L^-1。

更优选地，所述的电解质可为PVA/H₂SO₄胶体、PVA/KOH胶体和H₂SO₄液体中的至少一种。

所述组合得到的电解质层的厚度可为1～100μm。

本发明的上述方法制备得到的可电致变色、电化学储能和驱动电子设备的智能玻璃，结构为依次叠加的导电玻璃基片、变色物质、电解质、变色物质、导电玻璃基片。在适当窗口电压下可稳定工作，面积电容可高达21.3mF·cm^-2，光调节能力可高达63.7％。其工作机理为：上下两层玻璃基片接上电极，通电后，变色物质受到电场作用发生变色，同时对器件充电，储存电能；与外部电路连接后，储存的电能重新释放出来，形成能源输出，驱动电子设备。

上述可电致变色、电化学储能和驱动电子设备的智能玻璃可以作为智能窗口，也可以作为自驱动系统的临时或中间储能器件，适用于建筑、广告、各种玻璃饰品及电化学储能器件中。

本发明相对于现有技术，具有如下的优点及有益效果：

(1)本发明方法提供了一种兼有变色功能和电化学储能功能及驱动电子设备的智能玻璃的简单制备方法，所得到的智能玻璃可作为超级电容器，面积电容高达21.3mF·cm^-2，输出电压为0.6～0.8V，功率密度达到10.6kW·kg^-1，能量密度高达3.0Wh·kg^-1；作为变色器件，光调节能力高达63.7％。

(2)此方法简单易行，可规模化制备兼有变色功能和电化学储能功能的智能玻璃。

(3)作为器件，其电致变色性能可应用在智能窗口领域，如屋顶装饰，窗户等。

(4)作为器件，其电化学储能性能可应用在临时供电场所，如驱动光源，显示器等。

附图说明

图1为本发明的智能玻璃结构示意图。

图2为实施例1中制备得到的WO₃薄膜SEM图。

图3为实施例1的智能玻璃的循环伏安曲线图。

图4为实施例1的智能玻璃不同电位下的透过率曲线及变色效果图。

图5为实施例1的智能玻璃超级电容器的应用示意图。

图6为实施例2电镀法制备的PANI的SEM图。

图7为实施例2的智能玻璃的循环伏安曲线图。

图8为实施例2的智能玻璃在不同电位下的透过率曲线及变色效果图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

一种可电致变色和电化学储能的智能玻璃结构为依次叠加的透明导电玻璃基片1、变色物质2、电解质3、变色物质2和透明导电玻璃基片1，示意图见图1。

制备方法如下：

(1)制备WO₃电极：将钨舟固定到真空镀膜机电极上，加入1g WO₃纳米颗粒，均匀铺在钨舟底部。FTO玻璃(15cm×15cm)用高温胶布固定在样品台上，玻璃正面朝下正对钨舟，相距约15cm。将真空室抽到设定压强后(1～8×10^-4Pa)，蒸镀10min，所得WO₃金属层厚度约为300nm；

图2为WO₃薄膜的SEM图，WO₃晶粒均匀沉积在FTO上，直径在50～150nm之间；

(2)配制PVA/H₂SO₄胶体电解质：将6g H₂SO₄和6g PVA加入到60mL去离子水中，在85℃水浴锅中搅拌1小时，最后呈均匀胶体状态，得到PVA/H₂SO₄胶体电解质；

(3)将步骤(1)所得WO₃薄膜电极，通过步骤(2)所得PVA/H₂SO₄胶体电解质将两块电极叠在一起，电解质风干后，得到基于WO₃可电致变色的超级电容器智能玻璃，电解质层的厚约为10μm。此法所述的可电致变色的超级电容器在0.6V窗口电压下稳定工作(见图3)

所得的可电致变色和电化学储能的智能玻璃性能优良，图4为WO₃超级电容器在正常状态和充满电压下的对比图，在正常状态下近为无色，充满电后，呈蓝色，光调节能力可达到63.7％。单个器件面积电容达到21.3mF·cm^-2，输出电压0.6V，功率密度达到10.6kW·kg^-1，能量密度接近3.0Wh·kg^-1，器件阻抗10.2Ω·cm²。将多个器件集成起来(串联或者并联)，可以控制输出电压。当与外部电路连接以后，即可作为电源使用，给LED供电或者给手机及平板电脑充电(见图5)。

实施例2

一种可电致变色和电化学储能的智能玻璃结构为依次叠加的导电玻璃基片1、变色物质2、电解质3、变色物质2和导电玻璃基片1。

制备方法如下：

(1)制备PANI电极：首先配置0.5mol·L^-1H₂SO₄、0.5mol·L^-1Na₂SO₄、0.05mol·L^-1苯胺为电解质，以FTO玻璃为基底，采用三电极法(石墨棒为对电极、Ag/AgCl为参比电极)，电流密度为1mA·cm^-2，电镀时间为5min，即可制得PANI电极；

图6为PANI薄膜的SEM图，呈现为网状薄膜；

(2)配制H₂SO₄液体电解质：将9.8g H₂SO₄加入到100mL去离子水中，摇均匀，得到1M H₂SO₄电解质；

(3)将步骤(1)所得PANI薄膜电极，通过步骤(2)所得1M H₂SO₄电解质将两块电极封装在一起，电解质层的间距可为100μm，得到基于PANI可电致变色的超级电容器。此法所述的可电致变色的超级电容器在0.8V窗口电压下稳定工作(见图7)。

所得的兼有电致变色功能和电化学储能功能的智能玻璃性能优良，图8为其不同电位下的透过曲线，本发明的PAIN超级电容器在正常状态下为浅绿色，充满电后，呈蓝色，光调节能力可达到19.1％。单个器件面积电容达到10.2mF·cm^-2，输出电压0.8V，功率密度达到9.8kW·kg^-1，能量密度接近2.5Wh·kg^-1，器件阻抗15.4Ω·cm²。

实施例3

制备方法如下：

(1)制备NiO电极：首先配置0.5mol·L^-1Na₂SO₄、0.05mol·L^-1NiSO₄为电解质，以FTO为基底，采用三电极法(铂为对电极、Ag/AgCl为参比电极)，电流密度1mA·cm^-2，电镀时间为60s，即可制得NiO电极。；

(2)配制PVA/KOH胶体电解质：将3.3g KOH和6g PVA加入到60mL去离子水中，在85℃水浴锅中搅拌2小时，最后呈均匀胶体状态，得到PVA/KOH胶体电解质；

(3)将步骤(1)所得NiO薄膜电极，通过步骤(2)所得PVA/KOH胶体电解质将两块电极叠在一起，得到基于NiO可电致变色的超级电容器，电解质层的厚约为20μm。此法所述的可电致变色的超级电容器在0.8V窗口电压下稳定工作。

所得的可电致变色和电化学储能的智能玻璃性能优良，在正常状态下近为无色，充满电后，呈褐色，光调节能力可达到50％。单个器件面积电容达到19.8mF·cm^-2，输出电压0.8V，功率密度达到10.2kW·kg^-1，能量密度接近2.8Wh·kg^-1，器件阻抗13.2Ω·cm²。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种可电致变色、电化学储能和驱动电子设备的智能玻璃的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)在透明导电玻璃基片沉积变色物质，形成电极材料；

2.根据权利要求1所述的可电致变色、电化学储能和驱动电子设备的智能玻璃的制备方法，其特征在于：所述透明导电玻璃基片为掺氟氧化锡或者氧化铟锡的玻璃基片。

3.根据权利要求1所述的可电致变色、电化学储能和驱动电子设备的智能玻璃的制备方法，其特征在于：所述的变色物质指具有变色及电容性能的金属氧化物或者聚合物。

4.根据权利要求3所述的可电致变色、电化学储能和驱动电子设备的智能玻璃的制备方法，其特征在于：所述的金属氧化物为氧化钨、氧化镍或氧化钒；所述的聚合物为聚苯胺、聚吡咯或聚乙撑二氧噻吩。

5.根据权利要求1所述的可电致变色、电化学储能和驱动电子设备的智能玻璃的制备方法，其特征在于：所述沉积得到的变色物质层厚度为50～500nm。

6.根据权利要求1所述的可电致变色、电化学储能和驱动电子设备的智能玻璃的制备方法，其特征在于：所述的电解质为PVA/H₂SO₄胶体、PVA/KOH胶体和H₂SO₄液体中的至少一种。

7.根据权利要求1所述的可电致变色、电化学储能和驱动电子设备的智能玻璃的制备方法，其特征在于：所述组合得到的电解质层的厚度为1～100μm。

8.一种可电致变色、电化学储能和驱动电子设备的智能玻璃，其特征在于根据权利要求1～7任一项所述的可电致变色、电化学储能和驱动电子设备的智能玻璃的制备方法得到。

9.根据权利要求8所述的可电致变色、电化学储能和驱动电子设备的智能玻璃，其特征在于：所述可电致变色、电化学储能和驱动电子设备的智能玻璃面积电容高达21.3mF·cm^-2，输出电压为0.6～0.8V，功率密度高到10.6kW·kg^-1，能量密度高达3.0Wh·kg^-1；作为变色器件，光调节能力高达63.7％。

10.根据权利要求8～9任一项所述的可电致变色、电化学储能和驱动电子设备的智能玻璃在建筑、广告、玻璃饰品及电化学储能器件中的应用。