CN111399260A - 一种光学性质可智能调节的电解质及电化学器件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光学性质可智能调节的电解质及电化学器件，所述电解质为含有刺激响应性变色材料的电解质溶液；其中，所述刺激响应性变色材料为相变液晶材料、热致变色材料、光致变色材料或电致变色材料；所述电解质溶液为电解质盐溶液或离子液体溶液。本发明通过在传统电解质中加入色变或者相变功能材料，从而在外界不同条件刺激下产生变色现象。将本发明申请的电解质应用于电化学器件，在保证器件性能优良的同时，使器件可以响应外界刺激改变自身光学属性，可以增加电化学器件的功能性、个性化和趣味性，满足消费者的多样化需求，同时又能发挥指示、储能等功能，提高电化学器件的工作效率，拓宽器件的应用领域。

Description

一种光学性质可智能调节的电解质及电化学器件
技术领域
本发明涉及电化学器件技术领域，具体涉及一种光学性质可智能调节的电解质及电化学器件。
背景技术
电解质是提供电池、电容器、传感器、电致变色器件等电化学器件内部离子通道并防止工作电极和对电极接触，提高器件电化学稳定性的重要组分。电解质需要有高的离子电导率和低的电子电导率。高的离子电导率保证了在器件工作中，离子可以高效地进入/脱出功能层，从而可以实现均匀快速的充放电或变色效果；低的电子电导率则有利于功能材料稳定地维持住自身的氧化/还原态，从而保证了器件具有良好的记忆效应。
随着科学技术的高速发展，人们在追求高性能器件的同时，也在追求外观色彩丰富的器件。但相对于电化学器件中的功能材料，人们对电解质的关注很单一，目前对电解质的研究主要集中在提高其离子电导率和化学稳定性，而对其在光学性能领域的多样化研究鲜有涉及。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种光学性质可智能调节的电解质及电化学器件，旨在解决目前对电解质的研究主要集中在提高其离子电导率和化学稳定性，而对其在光学性能领域的多样化研究鲜有涉及，无法满足人们对器件外观色彩的需求的问题。
本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：一种光学性质可智能调节的电解质，其中，所述电解质为含有刺激响应性变色材料的电解质溶液；其中，所述刺激响应性变色材料为相变液晶材料、热致变色材料、光致变色材料或电致变色材料；所述电解质溶液为电解质盐溶液或离子液体溶液。
所述的光学性质可智能调节的电解质，其中，所述电解质盐为锂盐、钠盐、钾盐、季铵盐中的一种或多种；所述电解质盐溶液的溶剂为水、碳酸二甲酯、碳酸丙烯酯、甲乙基碳酸酯、碳酸乙烯酯、γ-丁内酯、乙腈、四氢呋喃、二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、N-甲基吡咯烷酮、二氯甲烷、氯仿中的一种或多种。
所述的光学性质可智能调节的电解质，其中，所述电解质盐溶液的浓度为0.01～40mol/L。
所述的光学性质可智能调节的电解质，其中，所述离子液体为咪唑基离子液体、吡啶基离子液体、吡咯基离子液体、季铵离子液体、季磷离子液体中的一种或多种。
所述的光学性质可智能调节的电解质，其中，所述电解质盐和所述离子液体中的阴离子为卤素离子、四氟硼酸根、硝酸根、高氯酸根、乙酸根、六氟磷酸根、六氟锑酸根、三氟甲基磺酰胺酸根、双三氟甲烷磺酰亚胺酸根中的一种或多种。
所述的光学性质可智能调节的电解质，其中，所述相变液晶材料为小分子液晶材料；所述相变液晶材料为酯类液晶、联苯液晶、苯基环己烷液晶、氧化偶氮液晶、亚苄基液晶中的一种或多种。
所述的光学性质可智能调节的电解质，其中，所述热致变色材料为具有最低临界溶解温度的热敏聚合物；所述热致变色材料包括聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物及其衍生物、聚环氧丙烷-聚环氧乙烷-聚环氧丙烷三嵌段共聚物及其衍生物、聚(N-异丙基丙烯酰胺)及其衍生物、聚(N-乙烯基己内酞胺)及其衍生物、聚[2-(二甲基氨基)乙基甲基丙烯酸酯]及其衍生物、聚羟丙基纤维素及其衍生物、聚乙烯甲醚及其衍生物、聚乙二醇聚酯共聚物及其衍生物中的一种或多种。
所述的光学性质可智能调节的电解质，其中，所述光致变色材料为无机、有机以及无机有机杂化光致变色材料中的一种或多种；所述光致变色材料包括卤化银、席夫碱类、螺吡喃类、螺噁嗪类、偶氮苯类、二芳基乙烯类、俘精酸酐类、多环醌类、苯胺衍生物类化合物中的一种或多种。
所述的光学性质可智能调节的电解质，其中，所述电致变色材料为无机电致变色材料和小分子有机电致变色材料中的一种或多种；所述电致变色材料包括修饰过的氧化钨、氧化镍纳米颗粒、紫精化合物、三苯胺及其衍生物、咔唑及其衍生物、蒽醌及其衍生物、吩噻嗪及其衍生物、金属酞菁化合物和氮杂原子化合物中的一种或多种。
一种光学性质可智能调节的电化学器件，其中，所述电化学器件至少包括所述的光学性质可智能调节的电解质。
有益效果：本发明通过在传统电解质中加入色变或者相变功能材料，从而在外界不同条件刺激下产生变色现象。将本发明申请的电解质应用于电化学器件，在保证器件性能优良的同时，使器件可以响应外界刺激改变自身光学属性，可以增加电化学器件的功能性、个性化和趣味性，满足消费者的多样化需求，同时又能发挥指示、储能等功能，提高电化学器件的工作效率，拓宽器件的应用领域。
附图说明
图1是本发明实施例中提供的电化学器件的结构示意图；
图2是对比例1中对封装有普通电解质溶液的电化学器件施加电压后的光谱曲线图；
图3是实施例1中对封装有光学性质可智能调节的电解质的电化学器件施加电压后的光谱曲线图；
图4是实施例2中对封装有光学性质可智能调节的电解质的电化学器件进行热电双重刺激后的光谱曲线图。
具体实施方式
本发明提供一种光学性质可智能调节的电解质及电化学器件，为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
由于相对于电化学器件中的功能材料，人们对电解质的关注很单一，目前对电解质的研究主要集中在提高其离子电导率和化学稳定性，而对其在光学性能领域的多样化研究鲜有涉及。随着科学技术的高速发展，人们在追求高性能器件的同时，也在追求外观色彩丰富的器件，而现有的电解质无法满足人们对器件外观色彩的需求。为了解决上述问题，本实施例中提供了一种光学性质可智能调节的电解质，所述电解质为含有刺激响应性色变材料的电解质溶液；其中，所述刺激响应性变色材料为相变液晶材料、热致变色材料、光致变色材料或电致变色材料；所述电解质溶液为电解质盐溶液或离子液体溶液。本发明申请中在传统电解质中加入色变或者相变功能材料，从而在外界不同条件(光、热、电场等)刺激下光学性质发生改变引起变色现象。将本发明申请中的电解质应用于电池、电容器、传感器、电致变色器件、电化学晶体管等电化学器件，在保证器件性能优良的同时，使器件可以响应外界刺激改变自身颜色和不同波段的透过率等光学属性，可以增加电化学器件的功能性、个性化和趣味性，满足消费者的多样化需求，同时又能发挥指示、储能等功能，提高电化学器件的工作效率，拓宽器件的应用领域。
具体实施时，当所述电解质为电解质盐溶液时，所述电解质盐可选自锂盐、钠盐、钾盐、季铵盐中的一种或多种，所述电解质盐溶液的溶剂可选自水、碳酸二甲酯、碳酸丙烯酯、甲乙基碳酸酯、碳酸乙烯酯、γ-丁内酯、乙腈、四氢呋喃、二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、N-甲基吡咯烷酮、二氯甲烷、氯仿中的一种或多种。所述电解质盐溶液的浓度为0.01～40mol/L，在一具体实施例中，所述电解质盐溶液的浓度为0.05～1mol/L。
具体实施时，当所述电解质为离子液体溶液时，所述离子液体可选自咪唑基离子液体、吡啶基离子液体、吡咯基离子液体、季铵离子液体、季磷离子液体中的一种或多种。
具体实施时，当所述电解质为电解质盐溶液或离子液体溶液时，所述电解质盐溶液和所述离子液体溶液中的阴离子可选自卤素离子、四氟硼酸根、硝酸根、高氯酸根、乙酸根、六氟磷酸根、六氟锑酸根、三氟甲基磺酰胺酸根、双三氟甲烷磺酰亚胺酸根中的一种或多种。
具体实施时，当刺激响应性变色材料为相变液晶材料时，所述相变液晶材料为小分子液晶材料；所述相变液晶材料可选自酯类液晶、联苯液晶、苯基环己烷液晶、氧化偶氮液晶、亚苄基液晶中的一种或多种。例如，所述相变液晶材料可以为胆甾醇酯、氧化偶氮茴香醚、对甲氧基苄叉对氨基丁苯、反式-丁基环己基甲酸、羟基联苯氰、4-丁基环己基甲酸-4’-氰基联苯酚酯、甲基丙烯酸β-羟乙酯、甲基丙烯酸卞醇酯、4-丙基-4’-甲氧基二苯乙炔、4-(反式-4-丙基环己基)-4’-丙基二苯乙炔、4-(反式-4-戊基环己基苯乙炔)-4’-氟苯腈中的一种或多种。所述相变液晶材料在所述电解质中的质量百分比为1wt％～99wt％，在一具体实施例中，所述相变液晶材料在所述电解质中的质量百分比为10wt％～50wt％。
具体实施时，当所述刺激响应性变色材料为热致变色材料时，所述热致变色材料为具有最低临界溶解温度的热敏聚合物，所述热致变色材料可以选自聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物及其衍生物、聚环氧丙烷-聚环氧乙烷-聚环氧丙烷三嵌段共聚物及其衍生物、聚(N-异丙基丙烯酰胺)及其衍生物、聚(N-乙烯基己内酞胺)及其衍生物、聚[2-(二甲基氨基)乙基甲基丙烯酸酯]及其衍生物、聚羟丙基纤维素及其衍生物、聚乙烯甲醚及其衍生物、聚乙二醇聚酯共聚物及其衍生物中的一种或多种。所述热致变色材料在所述电解质中的质量百分比为0.1wt％～50wt％，在一具体实施例中，所述热致变色材料在所述电解质中的质量百分比为1wt％～10wt％
具体实施时，当所述刺激响应性变色材料为光致变色材料时，所述光致变色材料可以为无机、有机以及无机有机杂化光致变色材料中的一种或多种，所述光致变色材料可选自卤化银、席夫碱类、螺吡喃类、螺噁嗪类、偶氮苯类、二芳基乙烯类、俘精酸酐类、多环醌类、苯胺衍生物类化合物中的一种或多种。所述光致变色材料在所述电解质中的质量百分比为0.1wt％～20wt％，在一具体实施例中，所述光致变色材料在所述电解质中的质量百分比为0.1wt％～5wt％
具体实施时，当所述刺激响应性变色材料为电致变色材料时，所述电致变色材料可以为无机电致变色材料，可选自修饰过的氧化钨、氧化镍纳米颗粒中的一种或多种；所述电致变色材料可以为小分子有机电致变色材料，可选自紫精化合物、三苯胺及其衍生物、咔唑及其衍生物、蒽醌及其衍生物、吩噻嗪及其衍生物、金属酞菁化合物和氮杂原子化合物中的一种或多种。所述电致变色材料在所述电解质中的质量百分比为0.01wt％～10wt％，在一具体实施例中，所述电致变色材料在所述电解质中的质量百分比为0.05wt％～1wt％。
进一步地，本发明还提供了一种光学性质可智能调节的电化学器件，如图1所示，所述电化学器件包括玻璃层1，沉积在所述玻璃层1上的ITO层2，沉积在所述ITO层2上的WO3薄膜层3；封装于所述WO3薄膜层3与所述ITO层2之间的电解质4。所述电解质4为含有刺激响应性变色材料的电解质溶液；其中，所述刺激响应性变色材料包括相变液晶材料、热致变色材料、光致变色材料、电致变色材料；所述电解质溶液包括电解质盐溶液或离子液体溶液。当在所述ITO层2上通过电源5施加电压或者通过光照或者加热对所述电化学器件进行刺激时，所述电化学器件会产生变色现象。
本发明的电解质通过在传统电解质中加入色变或者相变功能材料，从而在外界不同条件(光、热、电场等)刺激下光学性质发生改变引起变色现象。将本发明申请的电解质应用于电池、电容器、传感器、电致变色器件、电化学晶体管等电化学器件，在保证器件性能优良的同时，使器件可以响应外界刺激改变自身颜色和不同波段的透过率等光学属性，可以增加电化学器件的功能性、个性化和趣味性，满足消费者的多样化需求，同时又能发挥指示、储能等功能，提高电化学器件的工作效率，拓宽器件的应用领域。
下面通过具体实施例对本发明进行进一步的解释说明。
对比例1
将5.32g高氯酸锂溶解于100ml碳酸丙烯酯，配制成浓度为0.5mol/L的普通电解质溶液，然后取1ml上述普通电解质溶液封装于溅射有WO3薄膜的ITO玻璃和普通ITO玻璃之间，制备成WO3电致变色器件，如图1所示。该器件在电压的驱动下，可以在无色和蓝色之间转换，其光谱曲线如图2所示。
实施例1
将0.1g联苯类向列相混合液晶材料E8(购自江苏和成显示科技有限公司)与0.1g氯化1-丁基-3-甲基咪唑混合，加热至80℃以上，保持30min，搅拌至澄清透明，获得光学性质可智能调节的电解质。该电解质在外加电场下，可以实现不透明态到透明态的转变。将该电解质应用于图1中的WO3电致变色器件，可以使其在不同电压驱动下呈现出四种不同的颜色状态，且光学调控能力大幅度提升，应用于建筑物外墙玻璃时，节能效果明显优于对比例1中使用普通电解质的WO3电致变色器件，如图3所示。
实施例2
室温下，将2.12g氯化锂溶解于100ml去离子水配制成浓度为0.5mol/L的电解质水溶液，再加入10g聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物Pluronic P103(购自BASF)，搅拌至溶解后，得到光学性质可智能调节的电解质。该电解质在低温下呈透明态，在高温下呈浑浊态。取1ml该电解质应用于图1中的WO3电致变色器件，可以使其具备热电双响应效应，在热电双重刺激下呈现出四种不同的颜色状态，且光学调控能力大幅度提升，应用于建筑物外墙玻璃时，节能效果明显优于对比例1中使用普通电解质的WO3电致变色器件，如图4所示。
实施例3
将0.1g光变蓝色偶氮光致变色化合物2-(4'-N,N-二甲胺基苯偶氮基)蒽醌(购自深圳变色化工科技有限公司)与0.1g 1-丁基-3-甲基咪唑鎓双(三氟甲基磺酰基)酰胺离子液体混合，加热至80℃以上，保持30min，搅拌至澄清透明，获得光学性质可智能调节的电解质。该电解质在太阳光的照射下，可以实现无色到深蓝色的转变。将该电解质应用于PEDOT(电致变色材料)电致变色器件，可以使其在太阳光和电压的双重驱动下呈现出多种不同的颜色状态，适用于柔性可穿戴装饰或伪装领域。
实施例4
将胆甾醇壬酸酯、胆固醇油醇碳酸酯和1-丁基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺按照质量比5:1:10混合，加热至80℃以上，保持30min，搅拌至澄清透明，获得光学性质可智能调节的电解质。该电解质在加热条件下，可以从不透明的白色浑浊态(50℃)到显示出颜色，再到变为无色透明状态(70℃)。将该电解液应用于电化学储能设备，如电池或电容器，可以实现温度指示功能，有效避免安全事故的发生。
实施例5
将3.87g四丁基六氟磷酸铵溶解于100mlγ-丁内酯制成浓度为0.1mol/L的电解质溶液，再加入0.1g紫精，搅拌至混合均匀，获得光学性质可智能调节的电解质。该电解质在电压驱动下，可以在无色和蓝色之间转换。将该电解质应用于电化学储能设备，如电池或电容器，可以通过电解质颜色变化实现电量显示功能。将该电解质应用于电化学传感器，可以通过电解质颜色变化显示器件的电信号信息，从而直观地反映被检测对象的信息。
综上所述，本发明公开了一种光学性质可智能调节的电解质及电化学器件，所述电解质为含有刺激响应性变色材料的电解质溶液；其中，所述刺激响应性变色材料为相变液晶材料、热致变色材料、光致变色材料或电致变色材料；所述电解质溶液为电解质盐溶液或离子液体溶液。本发明通过在传统电解质中加入色变或者相变功能材料，从而在外界不同条件刺激下产生变色现象。将本发明申请的电解质应用于电化学器件，在保证器件性能优良的同时，使器件可以响应外界刺激改变自身光学属性，可以增加电化学器件的功能性、个性化和趣味性，满足消费者的多样化需求，同时又能发挥指示、储能等功能，提高电化学器件的工作效率，拓宽器件的应用领域。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种光学性质可智能调节的电解质，其特征在于，所述电解质为含有刺激响应性变色材料的电解质溶液；其中，所述刺激响应性变色材料为相变液晶材料、热致变色材料、光致变色材料或电致变色材料；所述电解质溶液为电解质盐溶液或离子液体溶液。
2.根据权利要求1所述的光学性质可智能调节的电解质，其特征在于，所述电解质盐为锂盐、钠盐、钾盐、季铵盐中的一种或多种；所述电解质盐溶液的溶剂为水、碳酸二甲酯、碳酸丙烯酯、甲乙基碳酸酯、碳酸乙烯酯、γ-丁内酯、乙腈、四氢呋喃、二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、N-甲基吡咯烷酮、二氯甲烷、氯仿中的一种或多种。
3.根据权利要求2所述的光学性质可智能调节的电解质，其特征在于，所述电解质盐溶液的浓度为0.01～40mol/L。
4.根据权利要求2所述的光学性质可智能调节的电解质，其特征在于，所述离子液体为咪唑基离子液体、吡啶基离子液体、吡咯基离子液体、季铵离子液体、季磷离子液体中的一种或多种。
5.根据权利要求4所述的光学性质可智能调节的电解质，其特征在于，所述电解质盐和所述离子液体中的阴离子为卤素离子、四氟硼酸根、硝酸根、高氯酸根、乙酸根、六氟磷酸根、六氟锑酸根、三氟甲基磺酰胺酸根、双三氟甲烷磺酰亚胺酸根中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的光学性质可智能调节的电解质，其特征在于，所述相变液晶材料为小分子液晶材料；所述相变液晶材料为酯类液晶、联苯液晶、苯基环己烷液晶、氧化偶氮液晶、亚苄基液晶中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的光学性质可智能调节的电解质，其特征在于，所述热致变色材料为具有最低临界溶解温度的热敏聚合物；所述热致变色材料包括聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物及其衍生物、聚环氧丙烷-聚环氧乙烷-聚环氧丙烷三嵌段共聚物及其衍生物、聚(N-异丙基丙烯酰胺)及其衍生物、聚(N-乙烯基己内酞胺)及其衍生物、聚[2-(二甲基氨基)乙基甲基丙烯酸酯]及其衍生物、聚羟丙基纤维素及其衍生物、聚乙烯甲醚及其衍生物、聚乙二醇聚酯共聚物及其衍生物中的一种或多种。
8.根据权利要求1所述的光学性质可智能调节的电解质，其特征在于，所述光致变色材料为无机、有机以及无机有机杂化光致变色材料中的一种或多种；所述光致变色材料包括卤化银、席夫碱类、螺吡喃类、螺噁嗪类、偶氮苯类、二芳基乙烯类、俘精酸酐类、多环醌类、苯胺衍生物类化合物中的一种或多种。
9.根据权利要求1所述的光学性质可智能调节的电解质，其特征在于，所述电致变色材料为无机电致变色材料和小分子有机电致变色材料中的一种或多种；所述电致变色材料包括修饰过的氧化钨、氧化镍纳米颗粒、紫精化合物、三苯胺及其衍生物、咔唑及其衍生物、蒽醌及其衍生物、吩噻嗪及其衍生物、金属酞菁化合物和氮杂原子化合物中的一种或多种。
10.一种光学性质可智能调节的电化学器件，其特征在于，所述电化学器件至少包括如权利要求1-9任一项所述的光学性质可智能调节的电解质。
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