WO2008034532A1 - Electrochrome anordnung - Google Patents

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WO2008034532A1
WO2008034532A1 PCT/EP2007/007815 EP2007007815W WO2008034532A1 WO 2008034532 A1 WO2008034532 A1 WO 2008034532A1 EP 2007007815 W EP2007007815 W EP 2007007815W WO 2008034532 A1 WO2008034532 A1 WO 2008034532A1
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hydrogen
layer
alkyl
methyl
arrangement according
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PCT/EP2007/007815
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Werner Jenninger
Burkhard KÖHLER
Joachim Wagner
Original Assignee
Bayer Materialscience Ag
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    • G02F2001/164—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on an electrochromic effect the electrolyte is made of polymers

Definitions

  • the invention relates to an electrochromic arrangement which comprises a lithium-neutralized, aqueous solution-applicable, anionic polyelectrolyte, in contrast to known electrochromic arrangements based on polymer electrolytes, which consist of a polymer matrix, a lithium secondary salt and optionally an aprotic solvent.
  • EP 942 061 A1 describes comparable electrochromic arrangements.
  • the polymer electrolyte is the mixture of lithium secondary salts and preferably crosslinked polymers and aprotic solvents. It is noted herein that when using plastic substrates, a water barrier is desirable to ensure safe operation. Disadvantage is the multi-step nature of the application and the presence of counterions (chlorate, triflate, etc.), which is undesirable in certain applications.
  • WO 00/08523 A1 describes electrochromic arrangements in which the electrolyte layer is used as an adhesive layer. But even this polymer electrolyte, consisting of Lithiumleitsalz, aprotic solvent and a crosslinked polymer matrix, can not be applied from aqueous solution.
  • Water-applicable components are desirable for reasons of occupational hygiene, which is impossible with the previous electrochromic arrangements. It was therefore an object to find a water-applicable electrolyte, which gives a stable electrochromic arrangement and manages without separate lithium salts.
  • non-crosslinked polyelectrolytes consisting of non-functional, oligoether-containing and anionic repeating units, can be applied from water and thereby enable the preparation of stable electrochromic arrangements.
  • the invention relates to an electrochromic multilayer arrangement comprising at least a transparent cover substrate, a first electrode arrangement, an adjoining layer with electrochromic material, an adjacent thereto gel electrolyte layer, one to the
  • R 1 , R 2 , R 4 , R 5 are independently hydrogen or methyl and
  • R 6 is hydrogen or C 1 to C 16 -alkyl
  • R 7 is hydrogen or C 1 to C 4 -alkyl
  • R 8 C to Cig-alkyl
  • n is a natural number of 5 to 30,
  • R 16 is hydrogen or methyl, in particular hydrogen
  • R> 17 is a C 1 -C 4 -alkyl radical, preferably methyl
  • the electrode assembly and the electrochromic layer is formed by a single material.
  • Electrodes consist of optically transparent electrode material, in particular of indium tin oxide (ITO) or transparent, electrically conductive polymers.
  • ITO indium tin oxide
  • the electrode material of the electrode arrangements is particularly preferably based on transparent, electrically conductive polymers selected from the series polyaniline, polythiophene and polypyrrole, in particular polythiophene, more preferably polyethylenedioxythiophene.
  • the nonfunctional repeat unit A) used is preferably one of the formula (I):
  • R 1 is hydrogen
  • the repeat unit C) used is preferably one of the formula (X):
  • R 14 is hydrogen
  • the molecular weight M n of the polyelectrolytes is preferably 500-500,000 g / mol (number average), preferably 1,000 to 10,000 g / mol.
  • the polyelectrolyte layer may contain up to 1% by weight of water.
  • the polyelectrolyte layer has a layer thickness of 5-200 ⁇ m, more preferably 10-100 ⁇ m.
  • the preparation of the polyelectrolytes may, for.
  • Example by reacting maleic anhydride with styrene or other olefins or vinyl ethers or vinyl esters in a molar ratio 1: 1 - 1: 4 in a water-miscible in any ratio, preferably aprotic solvent, which most preferably has a boiling point below 100 0 C, such as acetone or tetrahydrofuran (THF), copolymerized or dissolving the maleic anhydride copolymer prepared separately in such a solvent, then adding to the maleic anhydride equimolar amount of a mono-OH-functional polyalkylene oxide, preferably polyethylene oxide, the carboxyl group formed in the half esterification with lithium hydroxide in particular at least 50%, preferably to 80 to 100%, neutralized, then adding water and the solvent, if its boiling point is below 100 0 C, distilled off.
  • aprotic solvent which most preferably has a boiling point below 100 0 C, such as acetone or tetrahydro
  • maleic anhydride-styrene copolymers dissolved in acetone or tetrahydrofuran (THF) are used in this reaction.
  • the Halbester Struktur is preferably carried out at 20-100 0 C.
  • the preparation of the new polyelectrolytes can also be carried out by reacting as building block A) (meth) acrylate, styrene, (meth) acrylonitrile or (meth) acrylamides, as building block C) acrylic acid, methacrylic acid, acrylamido-methyl-propanesulfonic acid or (meth) acrylic acid sulfoethyl esters or their lithium salts, and as component B) polyethylene oxide monomethyl ether (meth) acrylates having molar masses of 200 to 1000 g / mol, in a solvent which is miscible in any ratio with water, which may also be protic, and preferably has a boiling point below 100 0 C has, such as methanol, ethanol, isopropanol, acetone or tetrahydrofuran (THF), polymerized with water and, if necessary to neutralize the acidic units C) necessary, mixed with lithium hydroxide and the solvent, if its boiling point is below 100
  • Preferably used compounds for the ion storage layer are all basically suitable ion storage compounds, in particular those from the group of formulas (XTH) to (XVm) contains
  • Me 1 and Me 2 represents a metal of the HI, FV and V subgroup of the Periodic Table of the Elements
  • x stands for a number from 0.001 to 5.
  • Me ' is preferably zirconium, cerium or titanium.
  • Me 2 is preferably niobium.
  • the following compounds are very particularly preferably used for the ion storage layers: CeO 2 , Li x CeO 2 , Li x CeO 2 + x / 2 , in particular CeO 2 .
  • the ion storage may also be a mixture of at least two of the compounds formulas (Xi ⁇ ) to (XVm), wherein
  • Me 2 in the mixture is preferably vanadium or niobium.
  • the following compounds are very particularly preferably used for ion storage layers:
  • V 2 O 5 Li x V 2 O 5 , Li x V 2 O 5 + x / 2 , CeO 2 , Li x CeO 2 , Li x CeO 2 + x / 2 , Nb 2 O 5 , Li x Nb 2 O 5 , Li x Nb 2 O 5 + x / 2 , TiO 2 - CeO 2 , CeO 2 - V 2 O 5 , TiO 2 - V 2 O 5 , Li x CeO 2 - Li x V 2 O 5 , Li x TiO 2 - Li x V 2 O 5 , Li x TiO 2 - Li x V 2 O 5 , Li x TiO 2 - Li x V 2 O 5 ,
  • the ion store in the new electrochromic arrangement thus consists of a metal oxide compound or a mixture of metal oxides.
  • the ion storage layers can already contain a Li salt during their production or can only be subsequently charged electrochemically with Li ions.
  • the compounds of the formulas (XIII) to (XVIII) are generally known compounds and can be prepared by generally known methods of inorganic chemistry (cf., for example, Hollemann-Wiberg, Lehrbuch der organischen Chemie, 71-80th edition, Walter de Gruyter 6 Co., Berlin 1971, pages 779-781, Rompp Chemie Lexikon; Chemical Abstract 1313-96-8).
  • the erf ⁇ ndungssiee electrochromic arrangement thus contains at least one inorganic ion storage layer.
  • This can be applied either by a sol-gel process or by vapor deposition / Aufsputtem on an electrically conductive substrate, which may be provided to improve the conductivity with a metal grid.
  • These can also be nano-particles which can be applied by means of a casting technique.
  • electrochromic material the following substances can be used individually: WO 3 , MoO 3 , polyanilines, polypyrroles or in a preferred embodiment polythiophenes, wherein the polypyrroles and polythiophenes are preferably substituted in the 3,4-position by alkyl groups or alkoxy and the Substituents may be members of a 6 or 7 or 8-membered ring fused to the heterocycles, which ring may contain two oxygen atoms, which are preferably located on the heterocycles.
  • Particularly preferred electrochromic materials are polydioxythiophenes.
  • the polydioxythiophenes are preferably cationically charged and composed of structural units of the formula (XDC),
  • Ai and A 2 independently of one another represent optionally substituted (C 1 -C 4 ) -alkyl or together optionally form substituted (C 1 -C 4 ) -alkylene, and
  • o is an integer from 2 to 10,000, preferably 5 to 5,000,
  • Preferred cationic polydioxythiophenes are composed of structural units of the formula (XX) or (XXI)
  • Bl and B2 independently of one another represent hydrogen, optionally substituted (C 1 -C 8) -alkyl, preferably (Cl-ClO) -, in particular (C 1 -C 6) -alkyl, (C 2 -C 12) -alkenyl, preferably (C 2 -C 8) ) Alkenyl, (C 3 -C 7) -cycloalkyl, preferably cyclopentyl, cyclohexyl, (C 7 -C 15) -aralkyl, preferably phenyl- (C 1 -C 4) -alkyl, (C 6 -C 10) -aryl, preferably phenyl, naphthyl, ( Cl-Cl 8) -alkyloxy, preferably (Cl-
  • C10) -alkyloxy for example methoxy, ethoxy, n- or iso-propoxy, or (C 2 -C 18) -alkyloxy esters and
  • B3 and B4 independently of one another hydrogen, but not both simultaneously, (C1-C18) -alkyl substituted with at least one sulphonate group, preferably (C1-C10) -alkyl, especially (C1-C6) -alkyl, (C2-C12) -alkenyl , preferably (C2-C8) -
  • p is a number from 2 to 10,000, preferably 5 to 5,000.
  • the electrochromic arrangement according to the invention very particularly preferably comprises at least one electrically conductive, electrochromic, cationic or neutral polydioxythiophene of the formulas (XXII) and / or XXII) in which B3 has the abovementioned meaning, and p denotes an integer from 2 to 10 000, preferably 5 to 5,000 stands.
  • polyanions used are in particular the anions of polymeric carboxylic acids, such as polyacrylic acids, polymethacrylic acids, or polymaleic acids and polymeric sulfonic acids, such as polystyrenesulfonic acids and polyvinylsulfonic acids.
  • polymeric carboxylic acids such as polyacrylic acids, polymethacrylic acids, or polymaleic acids
  • polymeric sulfonic acids such as polystyrenesulfonic acids and polyvinylsulfonic acids.
  • These polycarboxylic and sulfonic acids may also be copolymers of vinyl carboxylic and vinyl sulfonic acids with other polymerizable monomers such as acrylic esters and styrene.
  • Particularly preferred is the anion of polystyrene sulfonic acid as counterion.
  • the molecular weight of the polyanionic polyacids is preferably 1,000 to 2,000,000, more preferably 2,000 to 500,000 Polyacids or their alkali metal salts are commercially available, for example polystyrenesulfonic acids and polyacrylic acids, or else can be prepared by known processes (see, for example, Houben Weyl, Methoden der organischen Chemie, Vol. E 20 Macromolecular Substances, Part 2, (1987), pages 1141 et seq. ). Instead of the free polyacids required for the formation of the dispersions of polydioxythiophenes and polyanions, it is also possible to use mixtures of alkali metal salts of the polyacids and corresponding amounts of monoacids.
  • a particularly preferred variant of the electrochromic arrangement consists in that the electrode arrangement and the layer adjoining it with electrochromic material are formed together by a combination of polyethylenedioxythiophene and polystyrenesulphonic acid.
  • the polydioxythiophenes are obtained by oxidative polymerization. As a result, they receive positive charges, which are not shown in the formulas, since their number and position can not be ascertained exactly and accurately.
  • the corresponding polypyrroles can be used in which S is replaced by NH.
  • the neopentyl radical or the butylene radical can also be used. These radicals can also bridge the oxygen atoms of the 3,4-substituted polythiophenes.
  • glasses or transparent plastics such as polycarbonate, polyethylene terephthalate or PMMA, can be used as the material for the substrates.
  • the contacting of the redox-active substance and the lithium ion conductor can be effected by a conductive, transparent layer located between substrate and functional layer, such as ITO, SnO 2 , SnO fluorine-doped, transparent conductive polymer, in particular PEDOT / PSS, vapor-deposited silver or metal nets. It can, but also a functional layer, for example the redox-active substance polyethylenedioxythiophene, also take on the function of the conductive, transparent layer.
  • the joining of the side with the redox-active substance and the side with the lithium ion storage device takes place, for example, by spraying, knife-coating, one or both sides of the functional layer with the aqueous solution of the polyelectrolyte.
  • the film composite is preferably improved by lamination at temperatures of 70 to 170 0 C. Even air pockets can be avoided in this way.
  • the layer of PEDOT / PSS may contain as processing aids solvents, water-soluble polymers or nonionic or anionic emulsifiers, such as dimethylsulfoxide (DMSO), N-methylpyrrolidone (NMP), dimethylacetamide, dimethylformamide, polyvinyl alcohols (completely or partially saponified polyvinyl acetate or Poly-ethylene-co-vinyl acetate), polyesters of sulfoisophthalic acid, ethoxylation products of acetylenebiscarbinols, fatty alcohols, fatty amines, fatty amides or alkylphenols, C 12 -C 8 fatty acid esters of sorbitan or ethoxylated sorbitan, polyethylene oxide-silicone block or graft copolymers or sulfonated or sulfated alkylaromatics or fatty alcohols.
  • solvents such as dimethylsulfoxide (DMSO), N-methylpyrroli
  • the polyelectrolyte layer may contain as processing aids solvents or nichionic or anionic emulsifiers, such as DMSO, NMP, dimethylacetamide, dimethylformamide, ethoxylation products of Acetylenbiscarbinolen, fatty alcohols, fatty amines, fatty amides or alkylphenols, C12-C18 fatty acid esters of sorbitan or ethoxylated sorbitan, polyethylene oxide-silicone block or graft copolymers or sulfonated or sulfated alkylaromatics or fatty alcohols.
  • solvents or nichionic or anionic emulsifiers such as DMSO, NMP, dimethylacetamide, dimethylformamide, ethoxylation products of Acetylenbiscarbinolen, fatty alcohols, fatty amines, fatty amides or alkylphenols, C12-C18 fatty acid esters
  • the contacting is usually carried out on the two conductive layers, wherein a DC voltage of 0.5 - 20 V, preferably 2 - 7 V is applied.
  • the electrochromic arrangements according to the invention can be used in vehicle glazings, building glazings, display elements (displays, eg for mobile phones), optical systems (eg light switches in cameras), switchable mirrors (eg rearview mirrors of vehicles). Examples
  • Baytron ® PAG aqueous dispersion of the conductive polymer PEDT / PSS (polyethylenedioxythiophene / polystyrene sulfonate, manufacturer HC Starck GmbH), 4.3 g of DMSO, 10.8 g of a 10 percent solution of polyvinyl alcohol and 0.2 g of Surfynol 104 E (Air Products). It carries a 12 ⁇ thick film on the electrically conductive side of a vapor-deposited with ITO polycarbonate film (Makrofol, manufacturer Bayer material Science AG), and dried Ih at 20 0 C and 3 min. at 130 0 C.
  • Example 6 The procedure is as in Example 6), wherein the product of Example 2) is used as the polyelectrolyte.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrochrome Anordnung, die einen mit Lithium neutralisierten, aus wässriger Lösung applizierbaren, anionischen Polyelektrolyten enthält.

Description

Elektrochrome Anordnung
Die Erfindung betrifft eine elektrochrome Anordnung, die einen mit Lithium neutralisierten, aus wässriger Lösung applizierbaren, anionischen Polyelektrolyten enthält, im Gegensatz zu bekannten elektrochromen Anordnungen auf Basis von Polymerelektrolyten, die aus einer Polymermatrix, einem Lithiumleitsalz und gegebenenfalls einem aprotischen Solvens bestehen.
Die EP 942 061 Al beschreibt vergleichbare elektrochrome Anordnungen. Als Polymerelektrolyt wird die Mischung von Lithiumleitsalzen und vorzugsweise vernetzten Polymeren und aprotischen Lösungsmitteln genannt. Es wird hierin darauf hingewiesen, dass bei Verwendung von Kunststoffsubstraten eine Sperrschicht gegen Wasser wünschenswert ist, um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten. Nachteil ist die Mehrstufigkeit der Applikation und die Gegenwart der Gegenionen (Chlorat, Triflat etc.), die in bestimmten Anwendungen unerwünscht ist.
Die WO 00/08523 Al beschreibt elektrochrome Anordnungen, bei denen die Elektrolytschicht als Haftschicht genutzt wird. Aber auch dieser Polymerelektrolyt, bestehend aus Lithiumleitsalz, aprotischem Solvens und einer vernetzten Polymermatrix, kann nicht aus wässriger Lösung angewendet werden.
Es besteht Bedarf an einem vereinfachten Verfahren zur Herstellung der elektrochromen Anordnungen. Ferner sind die Lithiumleitsalze für die bekannten elektrochromen Anordnungen technisch schwer verfügbar und wegen ihrer Gegenionen (Chlorat, Hexafluorophosphat, Triflat) ökologisch nicht unbedenklich.
Aus Wasser applizierbare Komponenten sind aus Gründen der Arbeitshygiene wünschenswert, was bei den bisherigen elektrochromen Anordnungen unmöglich ist. Es bestand daher die Aufgabe, einen aus Wasser applizierbaren Elektrolyten zu finden, der eine stabile elektrochrome Anordnung ergibt und der ohne separate Lithiumleitsalze auskommt.
Überraschenderweise wurde gefunden, dass nicht vernetzte Polyelektrolyten, bestehend aus nichtfunktionellen, oligoetherhaltigen und anionischen Wiederholungseinheiten, aus Wasser applizierbar sind und dabei die Herstellung stabiler elektrochromer Anordnungen ermöglichen.
Gegenstand der Erfindung ist eine elektrochrome Mehrschichtenanordnung wenigstens aufweisend ein transparentes Decksubstrat, eine erste Elektrodenanordnung, eine daran angrenzende Schicht mit elektrochromem Material, eine daran angrenzende Gelelektrolytschicht, eine an die
Gelelektrolytschicht angrenzende Ionenspeicherschicht, eine an diese Schicht angrenzende zweite Elektrodenanordnung und ein weiteres Substrat, das transparent und/oder mit einer Spiegelfläche versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Gelelektrolytschicht ein oder mehrere Copolymere auf Basis von Vinylmonomeren enthält, mit folgenden Wiederholungseinheiten:
A) von 10 - 80 Gew.-% einer nicht funktionellen Wiederholungseinheit ausgewählt aus der Reihe:
Figure imgf000003_0001
Figure imgf000003_0002
Figure imgf000003_0003
worin R1 , R2, R4, R5 unabhängig voneinander Wasserstoff oder Methyl bedeuten und
R > 3ό Ci bis Ci8-Alkyl oder C1 bis C4-Hydroxyalkyl,
R6 Wasserstoff oder Ci bis C16-Alkyl, R7 Wasserstoff oder Ci bis C4-Alkyl,
R8 C, bis Cig-Alkyl,
R" C1 bis C4-Alkyl bedeuten,
insbesondere solchen der Formel (I), besonders bevorzugt mit R = Wasserstoff, und
B) 15 - 80 Gew.-% einer oligoetherhaltigen Wiederholungseinheit (VIII):
Figure imgf000004_0001
woπn
R , 1i0υ Wasserstoff oder Methyl, R1 ' Wasserstoff oder Methyl, bevorzugt Wasserstoff, und R12 Ci bis Cis-Alkyl, C7 bis C30-Aralkyl bedeuten
und n für eine natürliche Zahl von 5 bis 30 steht,
und
C) 5 - 50 Gew.-% einer vollständig oder teilweise, insbesondere mindestens zu 50 % mit Lithium neutralisierten anionischen Wiederholungseinheit ausgewählt aus der Reihe:
Figure imgf000004_0002
Figure imgf000005_0001
woπn
R , 13 , r R> 14 , R , 15 unabhängig voneinander Wasserstoff oder Methyl bedeuten, insbesondere solchen der Formel (X) mit insbesondere R1 = Wasserstoff,
oder
A) von 10 - 50 Gew.-% einer nichtfunktionellen Wiederholungseinheit A) mit den oben angegebenen Bedeutungen für R1 bis R9
und
D) 50 - 90 Gew.-% einer oligoetherhaltigen vollständig oder teilweise, insbesondere mindestens zu 50 % mit Lithium neutralisierten Wiederholungseinheit der Formel (Xu):
Figure imgf000005_0002
R16 für Wasserstoff oder Methyl, insbesondere Wasserstoff,
R > 17 für einen Ci-C4-Alkylrest bevorzugt für Methyl steht,
und worin
m für eine natürliche Zahl von 5 bis 30 steht. Bevorzugt wird die Elektrodenanordnung und die elektrochrome Schicht durch ein einziges Material gebildet.
Bevorzugt ist auch eine neue elektrochrome Anordnung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Elektrodenanordnungen unabhängig voneinander aus optisch transparentem Elektrodenmaterial bestehen, insbesondere aus Indiumzinnoxid (ITO) oder transparenten, elektrisch leitenden Polymeren.
Das Elektrodenmaterial der Elektrodenanordnungen basiert besonders bevorzugt auf transparenten, elektrisch leitenden Polymeren, ausgewählt aus der Reihe Polyanilin, Polythiophen und Polypyrrol, insbesondere Polythiophen, besonders bevorzugt auf Polyethylendioxythiophen.
Als nichtfunktionelle Wiederholungseinheit A) wird bevorzugt eine der Formel (I) eingesetzt:
Figure imgf000006_0001
worin R1 Wasserstoff bedeutet.
Als Wiederholungseinheit C) wird bevorzugt eine der Formel (X) eingesetzt:
Figure imgf000006_0002
worin R14 Wasserstoff bedeutet.
Die Molmasse Mn der Polyelektrolyten beträgt bevorzugt 500-500000 g/Mol (Zahlenmittel), vorzugsweise 1000 bis 10 000 g/Mol. Die Polyelektrolytschicht kann bis zu 1 Gew.-% Wasser enthalten. Die Polyelektrolytschicht hat insbesondere eine Schichtdicke von 5 - 200 μm, besonders bevorzugt von 10 - 100 μm. Die Herstellung der Polyelektrolyten kann z. B. erfolgen, indem man Maleinsäureanhydrid mit Styrol oder anderen Olefinen oder Vinylethem oder Vinylestern im Molverhältnis 1 :1 - 1 :4 in einem mit Wasser in jedem Verhältnis mischbaren, vorzugsweise aprotischen Lösungsmittel, das ganz besonders bevorzugt einen Siedepunkt unter 1000C hat, wie Aceton oder Tetrahydrofuran (THF), copolymerisiert oder das separat hergestellte Maleinsäureanhydridcopolymer in einem solchen Lösungsmittel löst, dann eine zur Maleinsäureanhydridmenge äquimolaren Menge eines mono-OH-funktionellen Polyalkylenoxids, vorzugsweise Polyethylenoxids zugibt, die bei der Halbesterbildung entstehende Carboxylgruppe mit Lithiumhydroxid insbesondere zu mindest zu 50%, vorzugsweise zu 80 bis 100%, neutralisiert, dann Wasser zugibt und das Lösungsmittel, falls dessen Siedepunkt unter 1000C liegt, abdestilliert.
Vorzugsweise werden Maleinsäureanhydrid-Styrol-Copolymere, gelöst in Aceton oder Tetrahydrofuran (THF) in diese Reaktion eingesetzt. Die Halbesterbildung erfolgt bevorzugt bei 20-1000C.
Die Herstellung der neuen Polyelektrolyten kann auch erfolgen, indem man als Baustein A) (Meth)acrylsäurealkylester, Styrol, (Meth)acrylnitril oder (Meth)acrylamide, als Baustein C) Acrylsäure, Methacrylsäure, Acrylamido-methyl-propansulfonsäure oder (Meth)acrylsäure- sulfoethylester oder deren Lithiumsalze, und als Baustein B) Polyethylen- oxidmonornethylether(meth)acrylate mit Molmassen von 200 bis 1000 g/Mol, in einem in jedem Verhältnis mit Wasser mischbaren Lösungsmittel, das auch protisch sein kann, und vorzugsweise einen Siedepunkt unter 1000C hat, wie Methanol, Ethanol, Isopropanol, Aceton oder Tetrahydrofuran (THF), polymerisiert, mit Wasser und, falls zur Neutralisierung der sauren Bausteine C) notwendig, mit Lithiumhydroxid versetzt und das Lösungsmittel, falls dessen Siedepunkt unter 1000C liegt, abdestilliert. Als Initiatoren für die Polymerisation werden Azoverbindungen oder Peroxide eingesetzt. Die Polymerisation erfolgt bevorzugt bei einer Temperatur von 50 bis 1500C.
Bevorzugt einzusetzende Verbindungen für die Ionenspeicherschicht sind alle grundsätzlich geeigneten Ionenspeicherverbindungen, insbesondere solche aus der Gruppe der Formeln (XTH) bis (XVm) enthält
Me1O2 (Xm),
Me2 2O5 (XIV),
LixMe1O2 (XV), LixMe2 205 (XVI),
LixMe1CW (XVII),
LixMe2 205+x/2 (XVIII),
worin
Me1 und Me2 für ein Metall der HI, FV und V Nebengruppe des Periodensystems der Elemente steht,
x für eine Zahl von 0,001 bis 5 steht.
Me' steht vorzugsweise für Zirkonium, Cer oder Titan.
Me2 steht bevorzugt für Niob.
Ganz besonders bevorzugt werden folgende Verbindungen für die Ionenspeicherschichten eingesetzt: CeO2, LixCeO2, LixCeO2+x/2, insbesondere CeO2.
Der Ionenspeicher kann auch eine Mischung von mindestens zwei der Verbindungen Formeln (Xiπ) bis (XVm) sein, wobei
Me2 in der Mischung vorzugsweise für Vanadium oder Niob steht.
Ganz besonders bevorzugt werden folgende Verbindungen für Ionenspeicherschichten eingesetzt:
V2O5 , Lix V2O5 , Lix V2O5+x/2 , CeO2 , Lix CeO2 , Lix CeO2+x/2 , Nb2O5 , Lix Nb2O5 , Lix Nb2O5+x/2 , TiO2 - CeO2 , CeO2 - V2O5 , TiO2 - V2O5 , LixCeO2 - LixV2O5 , LixTiO2 - LixV2O5
Der Ionenspeicher in der neuen elektrochromen Anordnung besteht somit aus einer Metalloxid- Verbindung oder einer Mischung aus Metalloxiden. Die Ionenspeicherschichten können bereits bei ihrer Erzeugung ein Li-SaIz beinhalten oder auch erst nachträglich elektrochemisch mit Li-Ionen beladen werden.
Die Verbindungen der Formeln (XÜI) bis (XVIII) sind allgemein bekannte Verbindungen und lassen sich nach allgemein bekannten Methoden der anorganischen Chemie herstellen (vgl. z.b. Hollemann- Wiberg, Lehrbuch der organischen Chemie, 71. - 80. Auflage, Walter de Gruyter 6 Co., Berlin 1971 , Seiten 779-781 , Römpp Chemie Lexikon; Chemical Abstract 1313-96-8).
Die erfϊndungsgemäße elektrochrome Anordnung enthält also mindestens eine anorganische Ionenspeicherschicht . Diese kann entweder durch ein Sol-Gel-Verfahren oder durch Aufdampfen/Aufsputtem auf ein elektrisch leitfähiges Substrat aufgebracht werden, das zur Verbesserung der Leitfähigkeit mit einem Metallgitter versehen sein kann. Dabei kann es sich auch um Nano-Teilchen handeln, die mittels einer Gießtechnik aufgebracht werden können.
Als elektrochromes Material im Sinne der Erfindung können folgende Stoffe einzeln eingesetzt werden: WO3, MoO3, Polyaniline, Polypyrrole oder in einer bevorzugten Ausfuhrungsform Polythiophene, wobei die Polypyrrole und Polythiophene bevorzugt in 3,4-Stellung durch Alkylgruppen oder Alkoxygruppen substitutiert sind und die Substituenten Glieder eines 6 oder 7 oder 8 gliedrigen, an den Heterocyclen annelierten Ringes sein können, wobei dieser Ring zwei Sauerstoffatome, die bevorzugt am Heterocyclen sich befinden, enthalten kann.
Besonders bevorzugte elektrochrome Materialien sind Polydioxythiophene. Die Polydioxythiophene sind vorzugsweise kationisch geladen und aus Struktureinheiten der Formel (XDC) aufgebaut,
Figure imgf000009_0001
in der
Ai und A2 unabhängig voneinander für gegebenenfalls substituiertes (Ci-C4)-Alkyl stehen oder zusammen gegebenenfalls substituiertes (Ci-C4)-Alkylen bilden, und
o für eine ganze Zahl von 2 bis 10.000 vorzugsweise 5 bis 5 000 steht,
und enthalten vorzugsweise Polyanionen als Gegenionen.
Bevorzugte kationische Polydioxythiophene sind aus Struktureinheiten der Formel (XX) oder (XXI) aufgebaut
B2 B1 B4 B3
Figure imgf000009_0002
woπn Bl und B2 unabhängig voneinander für Wasserstoff, gegebenenfalls substituiertes (C 1 -Cl 8)- Alkyl, vorzugsweise (Cl-ClO)-, insbesondere (Cl-C6)-Alkyl, (C2-C12)-Alkenyl, vorzugsweise (C2-C8)-Alkenyl, (C3-C7)-Cycloalkyl, vorzugsweise Cyclopentyl, Cyclohexyl, (C7-C15)-Aralkyl, vorzugsweise Phenyl-(Cl-C4)-allcyl, (C6-C10)- Aryl, vorzugsweise Phenyl, Naphthyl, (Cl-Cl 8)-Alkyloxy, vorzugsweise (Cl-
C10)-Alkyloxy, beispielsweise Methoxy, Ethoxy, n- oder iso-Propoxy, oder (C2- C18)-Alkyloxyester steht und
B3 und B4 unabhängig voneinander für Wasserstoff, jedoch nicht beide gleichzeitig, mit mindestens einer Sulfonatgruppe substituiertes (Cl-C18)-Alkyl, vorzugsweise (Cl- ClO)-, insbesondere (Cl-C6)-Alkyl, (C2-C12)-Alkenyl, vorzugsweise (C2-C8)-
Alkenyl, (C3-C7)-Cycloalkyl, vorzugsweise Cyclopentyl, Cyclohexyl, (C7-C15)- Aralkyl, vorzugsweise Phenyl-(Cl-C4)-alkyl, (C6-C10)-Aryl, vorzugweise Phenyl, Naphthyl, (Cl-C18)-Alkyloxy, vorzugweise (Cl-ClO)-Alkyloxy, beispielsweise Methoxy, Ethoxy, n- oder iso-Propoxy oder (C2-C18)-Alkyloxyester steht, und
p für eine Zahl von 2 bis 10 000, vorzugsweise 5 bis 5 000 steht.
Ganz besonders bevorzugt enthält die erfindungsgemäße elektrochrome Anordnung mindestens ein elektrisch leitfähiges, elektrochromes, kationisches oder neutrales Polydioxythiophen der Formeln (XXII) und/oder XXΗI), worin B3 die oben genannte Bedeutung hat, und p für eine ganze Zahl von 2 bis 10 000, vorzugsweise 5 bis 5 000 steht.
Figure imgf000010_0001
Als Polyanionen dienen insbesondere die Anionen von polymeren Carbonsäuren, wie Polyacrylsäuren, Polymethacrylsäuren, oder Polymaleinsäuren und polymeren Sulfonsäuren, wie Polystyrolsulfonsäuren und Polyvinylsulfonsäuren. Diese Polycarbon- und -sulfonsäuren können auch Copolymere von Vinylcarbon- und Vinylsulfonsäuren mit anderen polymerisierbaren Monomeren, wie Acrylsäureestem und Styrol sein. Besonders bevorzugt ist das Anion der Polystyrolsulfonsäure als Gegenion. Das Molekulargewicht der die Polyanionen liefernden Polysäuren beträgt vorzugsweise 1000 bis 2 000 000, besonders bevorzugt 2000 bis 500 000. Die Polysäuren oder ihre Alkalisalze sind im Handel erhältlich, z.B. Polystyrolsulfonsäuren und Polyacrylsäuren, oder aber nach bekannten Verfahren herstellbar (siehe z.B. Houben Weyl, Methoden der organischen Chemie, Bd. E 20 Makromolekulare Stoffe, Teil 2, (1987), S. 1141 ff.). Anstelle der für die Bildung der Dispersionen aus Polydioxythiophenen und Polyanionen erforderlichen freien Polysäuren, kann man auch Gemische aus Alkalisalzen der Polysäuren und entsprechenden Mengen an Monosäuren einsetzen.
Eine besonders bevorzugte Variante der elektrochromen Anordnung besteht darin, dass die Elektrodenanordnung und die daran angrenzende Schicht mit elektrochromem Material zusammen durch eine Kombination von Polyethylendioxythiophen und Polystyrolsulfonsäure gebildet werden.
Im Falle der Formel (XXffl) tragen die Polydioxythiophene positive und negative Ladung in der Struktureinheit. Die Herstellung der Polydioxythiophene ist beispielsweise in EP-A 0 440 957 (=US-A 300 575) grundsätzlich beschrieben.
Die Polydioxythiophene werden durch oxidative Polymerisation erhalten. Dadurch erhalten sie positive Ladungen, die in den Formeln nicht dargestellt sind, da ihre Zahl und ihre Position nicht einwandfrei exakt feststellbar sind.
Auch die entsprechenden Polypyrrole können eingesetzt werden, bei denen S durch NH ersetzt ist. Als Brücke zwischen den beiden Sauerstoffsubstituenten in 3,4-Stellung können auch der Neopentylrest oder der Butylenrest eingesetzt werden. Diese Reste können auch die Sauerstoffatome der 3,4-substituierten Polythiophene überbrücken.
Als Material für die Substrate können insbesondere Gläser oder transparente Kunststoffe, wie Polycarbonat, Polyethylenterephthalat oder PMMA, eingesetzt werden.
Die Kontaktierung der redoxaktiven Substanz und des Lithiumionenleiter kann durch eine zwischen Substrat und funktioneller Schicht befindliche, leitfähige, transparente Schicht erfolgen, wie ITO, SnO2, SnO fluordotiert, transparentes leitfähiges Polymer, insbesondere PEDOT/PSS, aufgedampftes Silber oder Metallnetze. Es kann, aber auch eine funktionelle Schicht, z.B. die redoxaktive Substanz Polyethylendioxythiophen, auch die Funktion der leitfähigen, transparenten Schicht mit übernehmen.
Das Zusammenfügen der Seite mit der redoxaktiven Substanz und der Seite mit dem Lithiumionenspeicher erfolgt beispielsweise, indem man eine oder beide Seiten auf der funktionellen Schicht mit der wasserhaltigen Lösung des Polyelektrolyten durch Sprühen, Rakeln,
Streichen oder Tauchen beschichtet und dann, ggf. nach Ablüften, die beiden Seiten mit der funktionellen Schicht in Richtung des in der Mitte befindlichen Polymerelektrolyten zusammenfügt, so dass eine elektrochrome Anordnung Substrat-(leitfähige, transparente Schicht)- redoxaktive Substanz-Polyelektrolyt-Lithiumionenspeicher-(leitfähige, transparente Schicht- Substrat resultiert, wobei die in Klammern gesetzten Bestandteile optional sind.
Der Folienverbund wird vorzugsweise durch Laminieren bei Temperaturen von 70 bis 1700C verbessert. Auch Lufteinschlüsse können auf diese Weise vermieden werden.
Die Schicht aus PEDOT/PSS (Polyethylendioxythiophen/Polystyrolsulfonsäure) kann als Verarbeitungshilfen Lösungsmittel, wasserlöslichen Polymere oder nichtionische oder anionische Emulgatoren enthalten, wie Dimethylsulfoxid (DMSO), N-Methylpyrrolidon (NMP), Dimethylacetamid, Dimethylformamid, Polyvinylalkohole (ganz oder teilweise verseiftes Polyvinylacetat oder Poly-ethylen-co-vinylacetat), Polyester der Sulfoisophthalsäure, Ethoxylierungsprodukte von Acetylenbiscarbinolen, Fettalkoholen, Fettaminen, Fettamiden oder Alkylphenolen, C 12-Cl 8 -Fettsäureester von Sorbitan oder ethoxyliertem Sorbitan, Polyethylenoxid-Silicon-Block oder Pfropfcopolymere oder sulfonierten oder sulfatierten Alkylaromaten oder Fettalkoholen.
Die Polyelektrolytschicht kann als Verarbeitungshilfen Lösungsmittel oder nichionische oder anionische Emulgatoren enthalten, wie DMSO, NMP, Dimethylacetamid, Dimethylformamid, Ethoxylierungsprodukte von Acetylenbiscarbinolen, Fettalkoholen, Fettaminen, Fettamiden oder Alkylphenolen, C12-C18-Fettsäureester von Sorbitan oder ethoxyliertem Sorbitan, Polyethylenoxid-Silicon-Block oder Pfropfcopolymere oder sulfonierten oder sulfatierten Alkylaromaten oder Fettalkoholen.
Die Kontaktierung erfolgt in der Regel an den beiden leitfähigen Schichten, wobei eine Gleichspannung von 0,5 - 20 V, vorzugsweise von 2 - 7 V angelegt wird.
Die erfindungsgemäßen elektrochromen Anordnungen können eingesetzt werden in Fahrzeugverglasungen, Gebäudeverglasungen, Anzeigeelementen (Displays, z. B. für Mobiltelefone), optischen Systemen (z.B. Lichtschalter in Kameras), schaltbaren Spiegeln (z. B. Rückspiegel von Fahrzeugen). Beispiele
Beispiel 1
Herstellung eines Polyelektrolyten:
Man legt 234 g eines Cumyl-terminierten Maleinsäureanhydrid-Styrol-Copolymeren mit einer Molmasse von Mn = 1900 und einem Styrolgehalt von 75 % in 500 g Aceton vor, tropft bei 20 0C die Mischung aus 273g Polyethylenglykolmonomethylether mit einer Molmasse Mn = 550, 0,1g Methylen-bis-tert-butylmethylphenol als Antioxidans, 12g Lithiumhydroxid und 100g Aceton innerhalb von 1 h hinzu. Nach 16 h werden 500 g Wasser zugegeben und das Aceton bei 80 0C abdestilliert. Man erhält die wässrige Lösung des Polyelektrolyten.
Beispiel 2
Herstellung eines Polyelektrolyten:
Man legt 1000 g Aceton, 233 g eines Cumyl-terminierten Maleinsäureanhydrid-Copolymeren mit einer Molmasse von Mn = 1600 und einem Styrolgehalt von 57 % und 550 g Polyethylenglykolmonomethylether mit einer Molmasse Mn = 550 vor, gibt 18 g Lithiumhydroxid hinzu und lässt 36 h rühren. Dann werden 800 g Wasser hinzugefügt und das Aceton bei 80 0C abdstilliert. Man erhält die wässrige Lösung des Polyelektrolyten.
Beispiel 3
Herstellung eines Polyelektrolyten: Man tropft in 2 h die Mischung aus 20 g Acrylamidomethylpropansulfonsäure, 50 g Methylacrylat, 50 g Hydroxyethylmethacrylat, 80 g Polyethylengylcolmonomethylether-methacrylat mit einer Molmasse Mn = 475, 2 g Thioglykolsäure als Regler, 1 g Azobisisobutyronitril als Initiator, 18 g Wasser und 200 g Methanol in einen auf 80 °C geheizten Kolben und rührt 16 h bei 80 0C. Dann werden 2 g Lithiumhydroxid und 200 ml Wasser zugegen und das Methanol bei 80 0C abdestilliert. Man erhält die wässrige Lösung des Polyelektrolyten.
Beispiel 4
Herstellung eines Substrates mit Lithiumionenspeicherschicht: Auf eine Polycarbonatfolie wird zunächst eine Schicht Indium Zinnoxid (ITO) und dann eine Schicht Cerdioxid im Hochvakuum aufgedampft, (bildet die Lithiumionenspeicherschicht). Beispiel 5
Herstellung eines Substrates mit Polyethylendioxythiophen als redoxaktiver Substanz:
Man mischt 72,4g Baytron® PAG (wässrige Dispersion des leitfähigen Polymers PEDT/PSS, (Polyethylendioxythiophen/Polystyrolsulfonat, Hersteller H.C. Starck GmbH), 4,3g DMSO, 10,8g einer 10 prozentigen Lösung von Polyvinylalkohol und 0,2g Surfynol 104 E (Air Products). Man trägt einen 12μ dicken Film auf die elektrisch leitfähige Seite einer mit ITO bedampften Polycarbonatfolie (Makrofol, Hersteller Bayer MaterialScience AG) , und trocknet Ih bei 200C und 3 min. bei 1300C.
Man erhält einen durchsichtigen, nur ganz leicht bläulich gefärbten Polymerfilm.
Beispiel 6
Herstellung einer elektrochromen Anordnung:
Auf die Ionenspeicherschicht des Substrates nach Beispiel 4) wird eine 24μ dicke Schicht einer
Mischung aus 36 Teilen Polyelektrolyten nach Beispiel 1), 2,15 Teilen DMSO und 0,1 Teil Surfynol 104 E (ethoxyliertes Bis(methylisobutylcarbinol)acetylen, Hersteller Air Products) aufgetragen, 1 h bei 20 0C abgelüftet und 3 min. bei 900C getrocknet. Man fügt die so mit Polyelektrolyt versehene Folie und das Substrat mit redoxaktiver Substanz nach Beispiel 5) so zusammen, dass der Polyelektrolyt und das Baytron® aufeinander liegen. Dann wird bei 1500C laminiert.
Beispiel 7
Herstellung einer elektrochromen Anordnung:
Man verfährt wie in Beispiel 6), wobei als Polyelektrolyt das Produkt aus Beispiel 2) eingesetzt wird.
Der Test der Anordnungen 6 und 7 erfolgt durch Anlegen einer Spannung von 5 V und Umpolung. Die Umpolung wird 30 mal wiederholt: Tabelle 1
Figure imgf000015_0001
Die Testergebnisse der Beispiele 6 und 7 demonstrieren die Stabilität der erfindungsgemäßen elektrochromen Anordnungen.

Claims

Patentansprüche
Elektrochrome Mehrschichtenanordnung wenigstens aufweisend ein transparentes Decksubstrat (1), eine erste Elektrodenanordnung (2), eine daran angrenzende Schicht (3) mit elektrochromem Material, eine daran angrenzende Gelelektrolytschicht (4), eine an Schicht (4) angrenzende Ionenspeicherschicht (5), eine an Schicht (5) angrenzende zweite Elektrodenanordnung (6), und ein weiteres Substrat (7), das transparent und/oder mit einer Spiegelfläche versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Gelelektrolytschicht ein oder mehrere Copolymere auf Basis von Vinylmonomeren enthält mit folgenden Wiederholungseinheiten:
A) von 10 - 80 Gew.-% einer nicht funktionellen Wiederholungseinheit ausgewählt aus der Reihe:
Figure imgf000016_0002
Figure imgf000016_0003
worin R1, R2, R4, R5 unabhängig voneinander Wasserstoff oder Methyl bedeuten und
R3 Ci bis C18-Alkyl oder C1 bis C4-Hydroxyalkyl,
R6 Wasserstoff oder C, bis C,6-Alkyl, R7 Wasserstoff oder C1 bis C4-Alkyl, ggf. verzweigt,
R8 C, bis Cig-Alkyl,
R9 Ci bis C4-Alkyl bedeuten, insbesondere solchen der Formel (I), besonders bevorzugt mit R1 = Wasserstoff, und B) 15 - 80 Gew.-% einer oligoetherhaltigen Wiederholungseinheit (VIII):
Figure imgf000017_0001
woπn
R10 Wasserstoff oder Methyl, R11 Wasserstoff oder Methyl, bevorzugt Wasserstoff, und
R12 Ci bis Ci8-Alkyl, C7 bis C30-Aralkyl bedeuten und n für eine natürliche Zahl von 5 bis 30 steht, und C) 5 - 50 Gew.-% einer vollständig oder teilweise, insbesondere mindestens zu 50 % mit Lithium neutralisierten anionischen Wiederholungseinheit ausgewählt aus der Reihe:
Figure imgf000018_0001
woπn
R , 13 , τ R> 145 DR15 unabhängig voneinander Wasserstoff oder Methyl bedeuten, insbesondere solchen der Formel (X) mit insbesondere R14 = Wasserstoff,
oder
A) von 10 - 50 Gew.-% einer nichtfünktionellen Wiederholungseinheit A) mit den oben angegebenen Bedeutungen für R1 bis R9
und
D) 50 - 90 Gew.-% einer oligoetherhaltigen vollständig oder teilweise, insbesondere mindestens zu 50 % mit Lithium neutralisierten Wiederholungseinheit der Formel (XU):
Figure imgf000019_0001
wobei
R16 für Wasserstoff oder Methyl, insbesondere Wasserstoff,
R17 für einen Ci-C4-Alkylrest bevorzugt für Methyl steht,
und worin m für eine natürliche Zahl von 5 bis 30 steht.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenanordnung (2) und die elektrochrome Schicht (3) durch ein einziges Material gebildet werden.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenanordnungen (2) und (6) unabhängig voneinander aus optisch transparentem
Elektrodenmaterial bestehen, insbesondere aus Indiumzinnoxid oder transparenten, elektrisch leitenden Polymeren.
4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrodenmaterial der Elektrodenanordnung (2) und/oder der Elektrodenanordnung (6) auf transparenten, elektrisch leitenden Polymeren, ausgewählt aus der Reihe Polyanilin, Polythiophen und
Polypyrrol, insbesondere Polythiophen, basiert, besonders bevorzugt auf Polyethylendioxythiophen.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als nichtfunktionelle Wiederholungseinheit A) solche der Formel (I) dienen:
Figure imgf000019_0002
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Wiederholdungseinheit C) solche der Formel (X) dienen:
Figure imgf000020_0001
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenanordnung (2) und die Schicht (3) zusammen durch eine Schicht aus einer
Kombination von Polyethylendioxythiophen und Polystyrolsulfonsäure gebildet werden.
8. Verwendung der Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 in Fahrzeugverglasungen, Gebäudeverglasungen, Anzeigeelementen, insbesondere Displays für Mobiltelefone, optischen Systemen, insbesondere Lichtschalter in Kameras, schaltbaren Spiegeln, insbesondere Rückspiegel von Fahrzeugen.
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