[发明专利]一种基于电致变色材料结构中离子传输和离子存储的控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及离子注入型材料的离子传输和存储的一种控制方法，属于功能材料测试分析技术的领域。

背景技术

随着近一百年来现代科技的不断进步和发展，经过三次工业革命之后，当今世界已经迎来了以节能环保、新能源、生命科学、智能物联网技术等为主导的第四次产业革命时代。这些新兴产业的蓬勃崛起推动人类进入了一个绿色可持续发展的新阶段。在这个大的发展背景下，节约资源与保护环境以实现可持续发展的是当前科技领域的研究内容和未来重点解决的课题问题。

中国近年来随着工业的迅速发展，能源需求增长和环境污染已成为我国社会急需解决的重大关键问题。而发达国家将大量能源应用于建筑物的室内温度调节，其中空调制冷制热能耗占据第一位。因此，采取各种有效手段降低能耗逐渐地变成人们的共识，特别是以节能和舒适要求来调节进入室内的太阳光普的智能窗，在未来建筑物中有广阔的实用价值和应用前景，而受到了人们的广泛关注。其原理是根据许多物质在受外加电场等外界作用时，该物质对光的作用不断变化，其颜色会发生变化，即产生不同原因的致色现象。致变色材料是指材料在外界条件作用下，能连续可逆的对太阳电磁辐射进行调节作用的材料，致变色根据致色原理可分为光致、热致、电致、气致以及光电致变色等多种致色现象。

电致变色是指材料在电场驱动的作用下宏观上表现为颜色产生稳定可逆变化的一种现象。当材料在外加电场的作用下发生电子和离子的注入与抽出过程时，其价态和化学组分将发生一定的变化，从而使材料对光的反射与透射性质发生改变，在宏观上则表现出颜色的可逆变化。电致变色材料中电荷与离子的注入/抽出过程可以通过外界电场的大小和方向改变而实现，电荷注入的多少与材料的光学调控性能具有一一对应关系。电致变色材料因为其特殊的性能和诱人的应用前景而迅速成为研究人员们争相研究的领域。电致变色材料不仅可以应用于智能节能窗、信息显示器上，还能应用于防眩目后视镜、信息储存器等多个领域，在国防和军事方面同样具有广泛的应用市场。由于其在中远红外光谱具有红外发射可调特性，可制成新型红外发射器件，应用于卫星、武器装备的红外隐身等多种领域。如今，电致变色材料已经普遍公认是最具有研究应用前途的智能材料之一，但其器件的商业化和产业推广依旧遭到各种因素的制约。特别是循环寿命的问题，因为商业化电致变色器件对电致变色的材料循环性能具有较高的要求，至少超过10万次。

如上所述，电致变色材料中电荷与离子的注入/抽出过程可以通过外界电场的大小和方向改变而实现，电荷注入的多少与材料的光学调控性能具有一一对应关系。而电致变色材料的稳定性和循环寿命主要取决于在重复的离子注入和抽出过程中材料的结构稳定性。一般情况下，电致变色材料在重复的着色和褪色过程中，离子嵌入后因为遭到材料结构中强电荷的制约或在整个变色过程中会产生不可逆的副反应而降低其电致变色性能，进而致使材料的循环稳定性越来越差。对于电致变色而言，电荷离子的注入多少直接影响到离子结构中副反应的反应程度，电荷越多副反应越剧烈。此外，与锂离子电池循环过程中出现的体积膨胀导致性能衰退类似，金属氧化物电致变色在循环的过程中，由于离子的反复脱嵌，材料本身体积会逐渐膨胀，产生一定的强应为从而致使薄膜慢慢从基底上脱落，最终降低其的循环稳定性。而研究发现，离子的脱出和嵌人速率直接决定了这种结构应变的程度和大小。大多数的电致变色材料，离商业化的目标还相差甚远。确保电致变色材料拥有优异的循环稳定性至关重要。解决的方案主要有两个，可心义通过采用适当的测试条件或者合适的电解液，降低反应过程中产生的不可逆副反应和减少电极材料本身在化学反应过程中的溶解。本发明主要希望通过从测试的角度提出对以上问题的解决的方案，以此希望对变色材料循环寿命起到有效提高的作用。

发明内容

本发明主要解决的是电致变色材料在电场的作用下，离子在材料结构中反复的脱出和嵌入过程对材料稳定性的影响作用。离子传输过快会增加电致变色材料在相变前后结构体积应变程度，进而会使得材料在反复的变色过程中发生脱落现象，影响其循环稳定性。其次，虽然变色材料需要一定的电荷离子在其结构中发生可逆的脱嵌才能产生变色效果，但是离子的数量是影响其循环可逆性的关键因素。当注入离子过多时，电致变色反应过程中离子会发生一定的副反应，而副反应的产生会严重影响材料的变色性能和循环稳定性。因此，对电致变色过程中，注入到变色材料的离子注入速率和注入数量进行控制是本发明的核心内容。而撤离电子时采用易测的且敏感的电流，更容易精确地得到或显示控制是否电子撤离干净即不剩余也不过度。