CN104714349B - 一种可伸缩的储能电致变色器件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种可伸缩的储能电致变色器件，所述的变色器件是以可伸缩的基底为基础，将碳导电层及金属氧化物电致变色层依次覆于其上，通过制备方法的选择及制备条件的控制，使其兼顾电致变色性能及能量存储能力。所述的变色器件具有出色的电容性能，使得其在金属氧化物通电变色时储存能量，即达到充电的效果。所述的变色器件具有安全有效，节能环保的特点，可广泛用于多个领域。

Description

一种可伸缩的储能电致变色器件
技术领域
本发明属于电致变色器件技术领域，具体涉及对一种可伸缩的储能电致变色器件及其制备方法。
背景技术
目前，全球能源需求依赖化石燃料。随着资源的不断枯竭，这样的依赖可能导致未来的能源危机。因此，储能系统开始在我们的生活发挥着越来越重要的作用。
锂离子电池和电化学电容器是能够满足大多数能量需求的能量存储系统。与锂离子电池相比，电化学电容器具有很多显著的优势，如功率密度高、优异的倍率性能、维护成本低等，使其广泛应用于便携式电子设备和运输领域中。电化学电容器分为电双层电容器和赝电容。基于碳的双电层电容器，电容产生于表面电荷累积是由于在电极/溶液界面的电解质的离子迅速吸附/脱附，响应速度快、循环寿命长，但是比电容相对较低。赝电容的电容产生于电活性金属氧化物和导电聚合物的法拉第氧化还原过程，表现出更高的能量存储容量。
合理利用能源对解决未来的能源危机同样重要，电致变色节能智能窗是合理利用能源的典型例子。它是通过自动或者手动改变外加电压或电流，从而使材料发生化学反应，导致其颜色发生变化，再跟踪入射光的能量进行调节从而控制室内温度。不仅能够减少空调的使用率，有利于建筑物的节能环保，也可使建筑物更加美观。电致变色是一种非发射技术，可以通过调节电信号来控制光学性能的改变，在电子纸、汽车防眩后视镜、建筑物节能智能窗等方面具有广阔的应用前景。在各种电致变色材料中，金属氧化物(WO3、NiO、V2O5等)基于小离子(H+、Li+、Na+等)在晶格中的注入与抽出，发生氧化还原反应，从而导致可逆的光学参数变化。以往大多数电致变色器件以刚性基板为基底，如透明导电玻璃基板。然而，面对未来更复杂的需求，可伸缩的电致变色器件具有更高的潜在应用价值。
本发明选取可伸缩的基底，将碳导电层及金属氧化物电致变色层依次覆于其上，通过制备方法的选择及制备条件的控制，使其兼顾电致变色性能及能量存储能力。其原理是：作为导电层的碳材料，不仅可以替代电致变色器件中的传统导电层氧化铟锡(ITO)，降低成本，而且能够增强导电性，降低电致变色反应电压，加快响应速度，达到节约能源的目的。同时，由于其出色的电容性能，使得其在金属氧化物通电变色时储存能量，即达到充电的效果。当用电器需要电能时，其可作为储能元件向用电器供电。该设计安全有效，节能环保，用途广泛。
发明内容
本发明的目的是提供一种可伸缩的储能电致变色器件。本发明的储能电致变色器件是以可伸缩的基底为基础，将碳导电层及金属氧化物电致变色层依次覆于其上得到。
本发明的储能电致变色器件的制备方法包括以下步骤：
(1)可伸缩透明基底的制备：将硅橡胶和固化剂倒入培养皿中，脱气固化后取出，切割成特定大小的形状，拉伸作为基底；
(2)碳导电层的制备：将碳材料溶于乙醇后超声分散，得到分散均匀的碳材料溶液，然后在基底上喷涂或旋涂该溶液；
(3)金属氧化物WO3电致变色层的制备：向钨酸钠溶液中加入H2O2和硫酸，得到浅黄色溶液，将覆有碳导电层的基底垂直置于溶液中作为负极，以铂片作为正极，在恒电流沉积得到WO3薄膜。
本发明的步骤(1)的具体步骤为：硅橡胶和固化剂以5～15：1的质量比混合倒入培养皿中，脱气，并在10～70℃固化0.5～3小时，取出，切割成特定大小、形状，拉伸使其伸长10％～50％，作为基底。
本发明的步骤(2)的具体步骤为：将碳材料溶于乙醇中，配制成0.05～0.2mg/mL的溶液，超声分散，得到分散均匀的碳材料溶液，并在基底上喷涂或旋涂该溶液。
本发明的步骤(3)的具体步骤为：向1～100mL 0.1～1mol/L的钨酸钠溶液中加入适量H2O2和0.1～1mol/L的硫酸1～100mL，得到浅黄色溶液。将覆有碳导电层的基底垂直置于溶液中作为负极，以铂片作为正极，在恒电流1～10mA下沉积100～1000s，得到WO3薄膜。
本发明的步骤(1)中使用的培养皿厚度为0.1mm～10mm。
本发明的硅橡胶是聚二甲硅氧烷。
本发明的碳材料是碳纳米管。
本发明通过对基底、导电层及电致变色材料的选择与设计，来实现其对光的透过率的控制及对电荷的存储。其原理是将器件通电后，对其施加-1～-3V的电压时，器件颜色由无色变为蓝色。此时，发生如下的变色反应：
zM++ze-+WO3(退色态)→MzWO3(0＜x＜1)(着色态)
再对器件施加+1～+3V的电压，器件退色至透明。此时，发生如下的变色反应：
MzWO3(0＜x＜1)(着色态)→zM++ze-+WO3(退色态)
由于碳材料的电容性能，对器件施加正电压即相当于电容器的充电过程，并且由于WO3的记忆效应，断电后一段时间内电荷将留在电极/溶液界面的双电层和电极材料本体中。二者共同作用，使该器件既具有电致变色性能，又具有对电荷的存储能力。当需要用电时，该器件可以作为电源，向用电器提供能量。该设计安全有效，节能环保，使用寿命长。
本发明的有益效果在于：既可使器件具有跟踪入射光的能量进行调节，从而控制室内温度的同时，又可实现其对电荷的存储与释放。该设计安全有效，节能环保，使用寿命长。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1：器件制备流程图；
图2：器件的电致变色照片(左边为退色态，右边为着色态)；
图3：器件对光透过率的调控，其中测试方法为计时电流法，测试条件为±1V各20s循环。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面通过实施例对本发明进行说明。
实施例1
可伸缩基底、碳导电层及金属氧化物电致变色层制备可伸缩的储能电致变色器件是按下列步骤实施：
(1)聚二甲硅氧烷及固化剂以5：1的质量比混合倒入培养皿中(厚度为0.1mm)，脱气，并在10℃固化0.5小时，取出，切割成特定大小、形状，拉伸使其伸长10％，作为基底。
(2)取5mg碳纳米管，溶于100mL无水乙醇中，在室温下置于超声波清洗器中分散1h，得到高浓度的分散均匀的碳纳米管溶液，配置成浓度为0.05mg/mL的碳纳米管溶液。用旋涂仪在基底上旋涂该溶液，待分散剂自然挥发干燥后，再进行第二次旋涂，如此反复3次，得到碳纳米管薄膜。
(3)向1mL 0.1mol/L的钨酸钠溶液中加入适量H2O2和0.1mol/L的硫酸1mL，得到浅黄色溶液。将覆有碳导电层的基底垂直置于溶液中作为负极，以铂片作为正极，在恒电流1mA下沉积100s，得到WO3薄膜。
(4)连接电压控制系统和电致变色储能器件，进行测试。
打开电压控制系统开关，对器件施加－1V的电压，离子嵌入WO3中，器件颜色由无色变为蓝色，断开电压控制系统开关，其颜色保持不变；当对器件施加反向电压时，即+1V，器件退色至透明。
实施例2
可伸缩基底、碳导电层及金属氧化物电致变色层制备可伸缩的储能电致变色器件是按下列步骤实施：
(1)聚二甲硅氧烷及固化剂以10：1的质量比混合倒入培养皿中(厚度为1mm)，脱气，并在40℃固化1.5小时，取出，切割成特定大小、形状，拉伸使其伸长30％，作为基底。
(2)取10mg碳纳米管，溶于100mL无水乙醇中，在室温下置于超声波清洗器中分散2h，得到高浓度的分散均匀的碳纳米管溶液，配置成浓度为0.1mg/mL的碳纳米管溶液。用旋涂仪在基底上旋涂该溶液，待分散剂自然挥发干燥后，再进行第二次旋涂，如此反复4次，得到碳纳米管薄膜。
(3)向50mL 0.5mol/L的钨酸钠溶液中加入适量H2O2和0.5mol/L的硫酸50mL，得到浅黄色溶液。将覆有碳导电层的基底垂直置于溶液中作为负极，以铂片作为正极，在恒电流5mA下沉积500s，得到WO3薄膜。
(4)连接电压控制系统和电致变色储能器件，进行测试。
打开电压控制系统开关，对器件施加－2V的电压，离子嵌入WO3中，器件颜色由无色变为蓝色，断开电压控制系统开关，其颜色保持不变；当对器件施加反向电压时，即+2V，器件退色至透明。
实施例3
可伸缩基底、碳导电层及金属氧化物电致变色层制备可伸缩的储能电致变色器件是按下列步骤实施：
(1)聚二甲硅氧烷及固化剂以15：1的质量比混合倒入培养皿中(厚度为10mm)，脱气，并在70℃固化3小时，取出，切割成特定大小、形状，拉伸使其伸长50％，作为基底。
(2)取20mg碳纳米管，溶于100mL无水乙醇中，在室温下置于超声波清洗器中分散3h，得到高浓度的分散均匀的碳纳米管溶液，配置成浓度为0.2mg/mL的碳纳米管溶液。用旋涂仪在基底上旋涂该溶液，待分散剂自然挥发干燥后，再进行第二次旋涂，如此反复5次，得到碳纳米管薄膜。
(3)向100mL 1mol/L的钨酸钠溶液中加入适量H2O2和1mol/L的硫酸100mL，得到浅黄色溶液。将覆有碳导电层的基底垂直置于溶液中作为负极，以铂片作为正极，在恒电流10mA下沉积1000s，得到WO3薄膜。
(4)连接电压控制系统和电致变色储能器件，进行测试。
打开电压控制系统开关，对器件施加－3V的电压，离子嵌入WO3中，器件颜色由无色变为蓝色，断开电压控制系统开关，其颜色保持不变；当对器件施加反向电压时，即+3V，器件退色至透明。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种可伸缩的储能电致变色器件，其特征在于，所述的储能电致变色器件是以可伸缩的基底为基础，将碳导电层及金属氧化物电致变色层依次覆于其上得到；所述的储能电致变色器件通过以下步骤制备得到：
(1)可伸缩透明基底的制备：将硅橡胶和固化剂倒入培养皿中，脱气固化后取出，切割成特定大小的形状，拉伸作为基底；
(2)碳导电层的制备：将碳纳米管溶于乙醇中，配制成0.05～0.2mg/mL的溶液，超声分散，得到分散均匀的碳材料溶液，并在基底上喷涂或旋涂该溶液；
(3)金属氧化物WO3电致变色层的制备：向1～100mL 0.1～1mol/L的钨酸钠溶液中加入适量H2O2和0.1～1mol/L的硫酸1～100mL，得到浅黄色溶液；将覆有碳导电层的基底垂直置于溶液中作为负极，以铂片作为正极，在恒电流1～10mA下沉积100～1000s，得到WO3薄膜。
2.如权利要求1所述的储能电致变色器件，其特征在于，步骤(1)的具体步骤为：硅橡胶和固化剂以5～15：1的质量比混合倒入培养皿中，脱气，并在10～70℃固化0.5～3小时，取出，切割成特定大小、形状，拉伸使其伸长10％～50％，作为基底。
3.如权利要求1或2所述的储能电致变色器件，其特征在于，所述的硅橡胶是聚二甲硅氧烷，所述的碳材料是碳纳米管。
4.一种权利要求1所述的可伸缩的储能电致变色器件的制备方法，其特征在于，所述方法的具体操作步骤如下：
(1)可伸缩透明基底的制备：将硅橡胶和固化剂倒入培养皿中，脱气固化后取出，切割成特定大小的形状，拉伸作为基底；
(2)碳导电层的制备：将碳材料溶于乙醇中，配制成0.05～0.2mg/mL的溶液，超声分散，得到分散均匀的碳材料溶液，并在基底上喷涂或旋涂该溶液；
(3)金属氧化物WO3电致变色层的制备：向1～100mL 0.1～1mol/L的钨酸钠溶液中加入适量H2O2和0.1～1mol/L的硫酸1～100mL，得到浅黄色溶液。将覆有碳导电层的基底垂直置于溶液中作为负极，以铂片作为正极，在恒电流1～10mA下沉积100～1000s，得到WO3薄膜。
5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)的具体步骤为：硅橡胶和固化剂以5～15：1的质量比混合倒入培养皿中，脱气，并在10～70℃固化0.5～3小时，取出，切割成特定大小、形状，拉伸使其伸长10％～50％，作为基底。
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