基于凝胶态电解质的电致变色器件的构筑及性能研究

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电致变色器件的光学性质在外加电压的作用下可以实现可逆的变化,在智能窗、显示以及可穿戴等领域具有重要意义。电致变色器件中最重要的结构部分是电致变色层和电解质层,其中电致变色层的研究较为充分,而对电致变色器件至关重要的电解质层的研究相对较晚,所以对于电解质层的研究是现今能否推动电致变色器件发展的关键。传统的电解质使用较多的是液态电解质,其存在易泄露、难封装等缺点,限制了电致变色器件的发展,凝胶态电解质具有一定强度和较高的电导率,可以在一定程度上解决液态电解质存在的问题。本文以凝胶态电解质为研究对象,基于聚合物基体,使用无机填料法、共混法以及吸液法制备出适合电致变色器件的凝胶态电解质。利用所制备的凝胶态电解质与电致变色薄膜共同组装成电致变色器件,并对其电致变色性能进行了深入研究。主要研究内容如下:  1、聚偏氟乙烯(PVDF)/二氧化硅(SiO2)复合凝胶态电解质的制备:以PVDF为基体,SiO2为无机填料,N,N-二甲基甲酰胺(DMF)为增塑剂,高氯酸锂(LiClO4)为锂源,制备出PVDF/SiO2复合凝胶态电解质。其中,SiO2的添加,优化了体系的微观结构,改善了离子的扩散性能,当PVDF和SiO2的质量比为92:8时,所制备的复合凝胶态电解质的结构最好,离子电导率最大,为2.4 mS·cm-1。对复合凝胶态电解质与钼掺杂WO3薄膜组装成的电致变色器件进行性能测试,分析得知,器件的光调制范围在PVDF和SiO2的质量比为92:8时为最大,达到32.51%,褪色和着色时间分别40 s和29 s,着色效率34.5 cm2/C,并且循环100次之后,器件的电流峰值依然保持在最初的90%。因此,适当控制无机填料的比例,能够获得性能优异的复合电解质膜,并且,该体系电解质成功解决了液态电解质泄露的问题,在电致变色器件中具有较大的应用前景。  2、PVDF/乙酸纤维素(CA)复合凝胶态电解质的制备:以PVDF和CA为基体,碳酸丙烯酯(PC)为增塑剂,LiClO4为锂源,制备出PVDF/CA复合凝胶态电解质。研究发现,CA的添加使体系的力学性能和电化学活性得到提升,当PVDF和CA的质量比为90:10时,所制备的PVDF/CA复合凝胶态电解质的离子电导率最高,为2.7×10-3S/cm,力学性能达到最大为3.1 Mpa。通过与电聚合法制备的聚-3 己基噻吩(P3HT)电致变色薄膜组装成柔性电致变色器件,研究发现使用该电解质体系的电致变色器件拥有较高的光学对比度,其吸光度在500 nm的着色和褪色差值达到0.3左右,在变色电压为-1V和3V下的光响应时间分别为4.5 s和3.6 s。该体系电解质进一步优化了凝胶态电解质的强度,解决了传统电解质难以应用在柔性器件的问题。  3、聚己内酯(PCL)膜基凝胶态电解质:使用PCL、六氟异丙醇(HFIP)和SiO2的混合溶液为纺丝液,通过静电纺的方法制备出PCL电纺膜。利用静电纺膜优异的吸液能力来吸附液态电解质,制备出了 PCL 基凝胶态电解质。研究发现,SiO2的加入使体系的性能得到进一步的提升,当SiO2质量比为3 wt.%时,体系的性能为最佳,吸液率达到805%,吸液后的力学强度达到9.9 Mpa,离子电导率达到最大为5.2 mS·cm-1。通过与丝网印刷法制备的聚3,4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)薄膜组装成柔性电致变色器件,对其性能进行分析,研究发现基于 PCL/SiO2凝胶态电解质的柔性电致变色器件具有较好的变色效果。
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