【材料】北工大JMCA：高透明离子导体膜应用于超薄柔性电致变色器件- 大数跨境

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2023-04-17

导读：北京工业大学张倩倩、汪浩教授团队在前期工作基础上，创新地发展了一种具有高透明度和超薄高柔性的聚合物基离子导体膜，将其应用于超薄柔性电致变色器件构筑，实现了器件结构优化和性能提升。

近年来，随着电致变色智能调光技术在可穿戴电子领域的应用逐渐被开发，如何构筑超薄柔性的高性能电致变色器件成为了一个关键挑战。长期以来，柔性电致变色器件的研发主要集中于柔性电致变色材料和柔性电极的设计构筑，鲜有研究关注于柔性离子导体层。2022年，北京工业大学张倩倩教授团队开发了一种易于规模化制备的聚偏二氟乙烯（PVDF）基超薄功能隔膜，并基于其优化离子传输动力学构筑了高性能无枝晶锂金属电池（Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2112711）。该隔膜不仅具有超薄厚度和高柔性，更具有电解质填充高透明性的特点，为发展适用于透过型柔性电致变色器件的新型离子导体层提供了新思路。

近日，北京工业大学张倩倩、汪浩教授团队在前期工作基础上，创新地发展了一种具有高透明度和超薄高柔性的聚合物基离子导体膜，将其应用于超薄柔性电致变色器件构筑，实现了器件结构优化和性能提升。研究表明，该离子导体膜不仅具有极高的可见范围透光率（>90%）、较高的离子电导率（0.11 mS cm⁻¹）和宽电化学窗口（3.55 V），同时表现出高柔韧性和较高机械强度。得益于这种新型离子导体膜的优势，进一步将其组装为聚苯胺（PANI）基透射型电致变色器件。相比较传统凝胶电解质基电致变色器件，这种新型结构器件具有超薄厚度（<300 µm）、高柔性（曲率半径<2 cm）和耐弯折性能，500次弯折后电致变色调光幅度保持率仍维持85%。此外，该器件在宽温度范围（-10-60°）下表现出优异的电致变色调光性质。这项工作在为设计高性能柔性电致变色器件提供了新的思路，在多色显示、可穿戴电子设备等领域具有良好应用潜力。相关成果发表于国际知名期刊Journal of Materials Chemistry A，北京工业大学材料与制造学部博士生龚辉为本文第一作者。

作者采用刮涂成膜技术结合电解质填充技术，构筑了聚偏二氟乙烯（PVDF）基离子导体膜，该离子导体膜具备高透过性、厚度均匀且结构规整度高等优良特性外，通过傅里叶红外光谱测试也证实了该离子导体膜的合成，拉伸试验、热失重测试分别验证了该膜具有良好的机械和热稳定性。

图1. 聚合物基离子导体膜的构筑及表征

进一步对离子导体膜的光学和电化学进行了研究，通过优化厚度获得了可见光区高透过率（>90%）的离子导体膜。另外，由于聚合物PVDF与电解液具有更好的相容性，形成均匀稳定的聚合物-电解质系统，可以拓宽其电化学窗口。该离子导体膜同时具有较高离子电导率（0.11 mS cm⁻¹）和较低的离子迁移活化能（13.69 kJ mol⁻¹），与所报道的电解质层相比，优异离子传输性能和高透过性为高性能柔性电致变色器件构筑奠定了基础。

图2. 离子导体膜的光学和电化学性能表征

进一步通过将离子导体膜与聚苯胺（PANI）电极组装成柔性电致变色器件，其具有重量轻、体积小、超薄（厚度约285 µm）的器件结构，有利于应用在下一代柔性电子产品和智能显示器。进一步评估器件电致变色性能，其具备可逆的颜色变化（黄绿-绿-蓝）和高着色效率（99.88 cm² C^-1）等优异电致变色性能。

图3. 基于离子导体膜构筑的PANI基电致变色器件的电致变色性能表征

进一步评估了基于离子导体膜构筑的柔性电致变色器件的机械性能。相较于传统电解质制备的柔性电致变色器件，基于离子导体膜构筑的柔性电致变色器件展现显示出更优的弯曲灵活性和更宽的曲率半径范围，同时器件在弯曲状态下的变色效果显著，具有良好的机械稳定性（>500次）。此外，可对大面积柔性电致变色器件进行图案化设计，开发其在显示领域的应用潜力。

图4. 基于离子导体膜构筑的超薄柔性PANI基电致变色器件机械性能表征

最后，研究了基于离子导体膜构筑的PANI基电致变色器件的环境稳定性。通过一系列在- 10至60 °C的宽温度范围内的原位光学和电化学实验，该柔性电致变色器件展示了连续的温度范围下的可逆变色，具备稳定的环境适应性，验证了其在极端气候工作条件下稳定工作，进一步拓展了其应用场景。

图5. 不同温度下器件的电致变色和电化学性能表征

结论和展望

本工作通过易于大面积制备的刮涂成膜工艺制备了新型离子导体膜，具有高柔性、高可见光透过率（>90%）、高离子电导率（0.11 mS cm⁻¹）、宽电压窗口（~3.55 V）和厚度均匀可控的特点。基于新型离子导体膜构筑的聚苯胺基柔性透射型电致变色器件具有超薄柔性，且经过多次弯折循环仍保持良好的电致变色性能，在信息显示、可穿戴电子等领域展现出重要应用前景。这项工作构筑的离子导体膜对于电致变色器件、锂电池等离子型电化学器件具有良好的普适性，且成膜工艺简单，易于规模化放大生产。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Ultrathin flexible electrochromic devices enabled by highly transparent ion-conducting films

Hui Gong, Ang Li, Guoxing Fu, Meiyu Zhang, Zilong Zheng, Qianqian Zhang,* Kailing Zhou, Jingbing Liu and Hao Wang*

J. Mater. Chem. A, 2023, DOI: 10.1039/D2TA09807E

导师介绍

汪浩

https://www.x-mol.com/university/faculty/28376

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