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电致变色玻璃是一类在外加电场作用下可以稳定、往复改变光学性能的智能玻璃,在智能窗、变色眼镜、防炫目汽车后视镜、显示器以及军事伪装等方面有重要应用。从电化学原理和器件结构角度来讲,电致变色器件既具有和电池、超级电容器等储能器件相近的器件结构,又具有相近的电荷转移、存储和元素价态变化过程。因此,通过合理的材料与机理设计,可以开发出具有储能与电致变色功能的多功能器件,同时实现电能存储和电致变色功能。
本文以普鲁士蓝(Prussian b lue,PB)和铯钨青铜(CsxWO3)材料为研究对象,探索了基于锌负极的电致变色与能量存储双功能器件的设计与性能调控机理,进而优化了器件的光调制幅度、循环寿命、储能容量、着色效率及响应速度。论文具体研究内容及成果如下:
(1)普鲁士蓝(PB)/锌(Zn)变色储能双功能器件制备与性能研究。采用水热法在FTO(掺氟氧化锡,S nO2:F)导电玻璃表面均匀沉积普鲁士蓝电致变色层作为电致变色电极;以金属锌为对电极平衡电致变色电极的电荷;并使用Zn2+/K+双离子电解液串联正负极反应,构建变色储能双功能器件。在放电(褪色)过程中,P B薄膜发生K+和e-共插入反应,同时Zn失去电子,转变为Zn2+进入电解液中补偿K+消耗。在充电(着色)过程中,正负极发生反向反应,实现P B颜色的可逆转变。通过调节电解液中Zn2+/K+离子比例,探究两种离子对器件性能的影响。使用分光光度计、电化学工作站及电池测试仪等对该器件进行性能测试,实验表明低Zn2+浓度具有更好的循环稳定性。在Zn2+/K+为1:9时,该变色储能器件实现了较高的平均输出电压(1.24V),较大的面积容量(78.9mAh m-2),快速的响应时间(Tbleaching=4.1s,Tcoloring=4.6s)和长的循环寿命(7000个循环),同时保持出色电致变色性能(在633nm处的透过率调制幅度>80%,着色效率=76.8cm2C-1)。
(2)铯钨青铜(CsxWO3)/锌(Zn)变色储能双功能器件制备与性能研究。制备不同铯含量的钨青铜纳米分散液,在分散液中添加质量比为ITO/CsxWO3=20%的ITO粉末(掺锡氧化铟,In2O3:Sn)用以提高涂层的导电性,并通过溶液涂覆的方法在ITO导电玻璃表面进行涂膜。以不同铯含量掺杂的钨青铜为正极;金属锌为对电极;并使用Zn2+/A l3+双离子电解液兼顾正负极反应,构建变色储能双功能器件。使用分光光度计、电化学工作站及电池测试仪等对该器件进行性能测试。该变色储能器件获得较大的面积容量(118mAh/m2),较高的循环寿命(循环200圈后容量仍保持62.1%)以及较高的光调制幅度(633nm处透光率变化42.1%),并在C0.16WO3时器件性能达到最优。
本文以普鲁士蓝(Prussian b lue,PB)和铯钨青铜(CsxWO3)材料为研究对象,探索了基于锌负极的电致变色与能量存储双功能器件的设计与性能调控机理,进而优化了器件的光调制幅度、循环寿命、储能容量、着色效率及响应速度。论文具体研究内容及成果如下:
(1)普鲁士蓝(PB)/锌(Zn)变色储能双功能器件制备与性能研究。采用水热法在FTO(掺氟氧化锡,S nO2:F)导电玻璃表面均匀沉积普鲁士蓝电致变色层作为电致变色电极;以金属锌为对电极平衡电致变色电极的电荷;并使用Zn2+/K+双离子电解液串联正负极反应,构建变色储能双功能器件。在放电(褪色)过程中,P B薄膜发生K+和e-共插入反应,同时Zn失去电子,转变为Zn2+进入电解液中补偿K+消耗。在充电(着色)过程中,正负极发生反向反应,实现P B颜色的可逆转变。通过调节电解液中Zn2+/K+离子比例,探究两种离子对器件性能的影响。使用分光光度计、电化学工作站及电池测试仪等对该器件进行性能测试,实验表明低Zn2+浓度具有更好的循环稳定性。在Zn2+/K+为1:9时,该变色储能器件实现了较高的平均输出电压(1.24V),较大的面积容量(78.9mAh m-2),快速的响应时间(Tbleaching=4.1s,Tcoloring=4.6s)和长的循环寿命(7000个循环),同时保持出色电致变色性能(在633nm处的透过率调制幅度>80%,着色效率=76.8cm2C-1)。
(2)铯钨青铜(CsxWO3)/锌(Zn)变色储能双功能器件制备与性能研究。制备不同铯含量的钨青铜纳米分散液,在分散液中添加质量比为ITO/CsxWO3=20%的ITO粉末(掺锡氧化铟,In2O3:Sn)用以提高涂层的导电性,并通过溶液涂覆的方法在ITO导电玻璃表面进行涂膜。以不同铯含量掺杂的钨青铜为正极;金属锌为对电极;并使用Zn2+/A l3+双离子电解液兼顾正负极反应,构建变色储能双功能器件。使用分光光度计、电化学工作站及电池测试仪等对该器件进行性能测试。该变色储能器件获得较大的面积容量(118mAh/m2),较高的循环寿命(循环200圈后容量仍保持62.1%)以及较高的光调制幅度(633nm处透光率变化42.1%),并在C0.16WO3时器件性能达到最优。