[发明专利]一种电致变色/储能双功能器件及其应用

说明书

本发明公开了一种电致变色/储能双功能器件及其应用。所述器件由金属锌为负极，由附着在导电基底上的普鲁士蓝电致变色薄膜为正极；以含有Zn²⁺和K⁺的双离子电解质充满正、负极之间的间隙。所述电致变色/储能双功能器件既具有电致变色功能，也具有类似于电池的电能存储能力。相比于已知方案，本发明公开的器件具有输出电压大、能量密度高、变色速度快、变色幅度大、循环寿命长，以及原料廉价、制备工艺简单、无毒无污染等优点。

技术领域

本发明属于功能材料及器件领域，具体涉及一种电致变色/储能双功能器件及其应用。

背景技术

传统的电致变色玻璃一般由透明导电玻璃、离子存储层、离子导体层（电解质层）、电致变色层、透明导电玻璃组成。其中，透明导电玻璃与外电路连接，起到导电作用；电致变色层通过与变色活性离子反应，可以实现可逆的变色过程；而离子导体层和离子存储层用于传输和存储电致变色层反应所需要的变色活性离子。作用一种典型的电化学器件，电致变色玻璃与电池、超级电容器具有极为相近的器件结构与反应机制。因而，近年来科研人员努力尝试将能量储存能力融合到电致变色玻璃当中。例如，李效民教授课题组以普鲁士蓝为正极，以三氧化钨为负极构建了一种新型电致变色器件，不仅提高了器件的光学调制能力，而且赋予该器件能量储存能力（ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9 (35),29872-29880）。但是，由于采用了含有两层导电玻璃的复杂多层结构，这类电致变色玻璃不仅所需原料昂贵，而且制备工艺复杂，价格很高。

2014年，王金敏教授课题组采用金属铝作为负极，普鲁士蓝薄膜作为正极构建了一类新型的电致变色器件。该器件以铝箔取代了离子存储层、透明导电层二个功能层，大大简化了器件的结构组成（Nature Communication. 2014, 5, 7）。但是，由于金属铝表面存在致密的氧化铝钝化层，使得器件在充放电时，出现了很大的极化电压（约0.6 V，充电与放电电压的差值），不利于器件的高功率使用。更为重要的是，铝负极在所用的水系电解液中电化学溶解-沉积反应不可逆，经过长时间循环后，铝箔消耗殆尽，器件在约50次充-放电/着色-褪色循环后即出现了明显的性能衰减，严重限制了该类器件性能提升。以铝离子为正极变色层的嵌入离子可以提升正极的结构稳定性，但这种电解液酸性很强，会严重腐蚀锌负极，器件循环寿命依然低于200次（Joule 2019, 3, 2268.）。与此同时，这类电致变色/储能双功能器件由于正极电压很小，因此器件的平均输出电压（ 0.7 V）。

发明内容

针对上述问题，本发明公开了一种基于电致变色正极，金属锌负极和双离子电解质构成的电致变色/储能双功能器件。

本发明采用以下技术方案：

一种电致变色/储能双功能器件，所述器件包括正极、负极、含有锌离子和钾离子的双离子电解质；

所述正极包括正极基底、导电层、普鲁士蓝薄膜，所述导电层附着于所述正极基底上，所述普鲁士蓝薄膜附着于所述导电层上；

所述负极包括负极基底、金属锌，所述金属锌附着与所述负极基底上，并且所述金属锌的面积远小于所述的负极基底，在保证导电性的同时，又具有很高的透光率，因此，所述负极不再需要昂贵的透明导电层作为集流体；

在所述正极与所述负极之间充满含有Zn²⁺和K⁺的双离子电解质，并通过封装材料对器件进行密闭封装，其中，Zn²⁺和K⁺的摩尔比为1：8-10。

优选地，所述正极基底和负极基底为透明基底。所述基底为玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚对苯二甲醇（PET）、聚苯乙烯（PS）、聚碳酸脂（PC）、苯乙烯丙烯腈（AS）、聚丙烯（PP）、聚酰亚胺（PI）、聚氯乙烯（PVC）等透明材料；所述正极基底或所述负极基底也可以有其中一种基底为银镜等高反光材料。