Small Science:锌型电致变色器件

电致变色技术由于其可逆的颜色变化特性,可应用于多种光学器件,例如智能窗、多彩显示和光学滤波片。由于颜色改变的持久稳固且仅在产生改变时需要消耗能量,电致变色器件具有制造成本低、驱动电压低、色彩丰富等优点。近年来,随着电致变色领域的蓬勃发展,电致变色器件的性能提升迅速。然而,传统的电致变色显示器件需要外界电压的驱动来实现颜色的转换,达不到最优的节能效果。

有鉴于此,山东大学李海增教授提出了一种锌型电致变色显示器件。这种锌型电致变色显示器件的着色过程并不会像传统的电致变色器件一样需要外界电压的驱动,是一种自发的放电过程。因此,在褪色过程中消耗的能量可以部分回收。同时,这种锌型的电致变色器件消除了工作电极和对电极同时发生的变色反应,进而实现了对单一电极颜色的独立智能调控。因此,这种锌型电致变色器件模型不仅可应用于智能窗器件,也可以应用于构造全新的多彩显示器件。

近期,山东大学李海增教授团队联合加拿大阿尔伯塔大学Abdulhakem Y. Elezzabi教授团队在Small Science上详细综述了锌型电致变色器件的研究进展。首先,文章详细的对比了传统电致变色器件与锌型电致变色器件在工作原理、器件结构、变色材料以及电解液上的区别。其次,文章阐述了锌型电致变色器件的应用优势。最后,文章展望了锌型电致变色器件未来的发展方向。

图1展示了锌型电致变色器件的工作机理。当放电时,由于Zn阳极与电致变色材料间的电势差,Zn2+嵌入变色薄膜,变色薄膜被还原达到着色效果,这一着色过程并不会像传统的电致变色器件一样需要外界电压的驱动,是一种自发的放电过程。当充电时,在外部电压的作用下,电致变色显示器消耗能量,Zn2+脱出变色薄膜,使得变色薄膜得到氧化,同时Zn2+沉积于Zn阳极上,最终达到褪色效果。

图1工作原理对比 (a) 传统电致变色器件和 (b)电致变色电池

图2展示了锌型电致变色器件的耗能可回收性。由于Zn阳极与电致变色材料MTWO(Ti-Substituted Tungsten Molybdenum Oxide)间的电势差,这个Zn-MTWO电致变色器件具有1.23 V的开路电势。 这一开路电势使得器件在点亮LED的过程中(放电过程)实现自主着色。同时,这一放电过程回收了部分在褪色过程中消耗的能量。(Adv. Mater., 2019, 31, 1807065)

图2 Zn-MTWO电致变色器件

这种锌型的电致变色器件消除了工作电极和对电极同时发生的变色反应,进而实现了单一电极的颜色调控。因此,传统电致变色器件中的离子储存层可以被额外一层电致变色层代替,以此实现色彩叠加或着色增强效果。图3展示了一种由Zn阳极与双层WO3电致变色层组成的器件。由于其着色增强效果,这一器件实现了77%的光学对比度调控,这也是迄今为止被报道的最大数值。(Joule, 2019, 3, 2268-2278)

图3 Zn-WO3电致变色器件

另一方面,这种单一电极的颜色调控也可以应用于显示器件中,通过色彩叠加扩大电致变色器件的色彩显示范围。图4展示了一种Zn-SVO(NaV3O8·1.5H2O)电致变色显示器件。由于单一的SVO薄膜可以呈现三种可逆的颜色变化(橙色、黄色、绿色),通过颜色叠加作用,Zn-SVO显示器件可以实现六种颜色的显示:橙色、橙黄色、黄色、褐色、黄绿色、绿色。(Ref: Light Sci. Appl., 2020, 9, 121)

图4 Zn-SVO电致变色显示器件

图5展示了这种锌型电致变色器件可与光伏太阳能电池板进行集成,以此实现智能窗的“遮阳生电、按需供电”的效果。这种集成器件以自身内部电压实现褪色,再以太阳能电池板提供的电压实现着色。因此,这一器件完全脱离外接电压的需求,同时可以为外部电路供电。(Ref: Adv. Mater, 2020, 32, 2003574)

图5 光伏-锌型电致变色结合器件

目前为止,锌型电致变色器件已经在实验技术和理论上展现了其优秀的节能性和多变的结构可设计性。然而,在实际应用中,仍然存在一些需要克服的难点。因此,作者们也对未来锌型电致变色器件的研究提出了展望,其中包括如何进一步减少器件能量消耗,抑制枝晶的生长,以及提高器件的循环稳定性。

论文信息:

Emerging Zn Anode-Based Electrochromic Devices

Wu Zhang, Haizeng Li, William W. Yu, Abdulhakem Y. Elezzabi

Small Science

DOI: 10.1002/smsc.202100040

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smsc.202100040