江南大学付少海/张丽萍: 节能显示器的双稳态弹性电致变色离子凝胶

【科研摘要】

电致变色材料的多样化大大扩展了电致变色器件的应用领域。然而，由于与现有电致变色工艺相关的固有限制，高度灵活的电致变色材料仍然具有挑战性。

江南大学付少海教授/张丽萍副教授团队受水凝胶结构中氢键作用的启发，通过溶液聚合制备了一种基于氢键交联网络的高弹性双稳态电致变色离子凝胶，该凝胶具有优异的拉伸回弹性、着色均匀、可逆切换（≤24.3 s）、最大 透射率变化 (≥80%)、双稳定性 (54 h)、可逆性 (>500 次循环) 和着色效率 (≥85.3 cm2·C–1)。

这种方法已被用于开发双稳态电致变色显示器。双稳态设计原理的非常规探索可能为双稳态电致变色器件的实现提供新思路。相关论文以题为Bistable Elastic Electrochromic Ionic Gels for Energy-Saving Displays发表在《ACS Appl. Mater. Interfaces》上。

【主图导读】

图 1. 弹性电致变色离子凝胶的合成过程。

图 2. (a) 电致变色凝胶的光学图像。(b) 拉伸前后电致变色凝胶的光学图像。(c) 显色后凝胶的拉伸照片。

图 3. (a) 具有不同 PHPA 含量的可拉伸电致变色离子凝胶的机械性能。(b) PHPA、PHPA64%–PMMA6% 和 PMMA 凝胶薄膜的红外光谱与相同量的溶剂 (PC, 20 wt%)。(c) 在 1 Pa 固定应力下扫描 PHPA-PMMA 和 PHPA 凝胶膜的流变频率。(d) 在 25°C 下以 1 Hz 固定频率对 PHPA-PMMA 和 PHPA 凝胶膜进行阶跃应变测量；每个应变间隔设置为 5 分钟。

图 4. 基于 PHPA-PMMA 凝胶的电致变色器件的光学特性表征。（a）PHPA-PMMA 离子凝胶在 ITO 玻璃/PET 上的粘附。(b) 不同 PC 含量的聚合物凝胶的初始透射率曲线。(c) 不同 PC 含量的凝胶膜在 501 nm 处的着色和褪色时间。(d) 不同厚度的离子凝胶在 501 nm 处的着色和褪色时间。

图 5. 器件的着色特性。(a) PHPA-PMMA 器件在不同电压下刺激 20 s 的传输曲线；插图显示了彩色设备的照片。(b) 固态器件在+5 V 刺激40 秒、断电420 秒、-5 V 刺激48 秒下501 nm 处的开路电压（顶部）和透射率（底部）。

图 6. (a) 器件在无色状态下的透射率（在 501 nm 处测量）。(b) 电致变色器件的循环稳定性测试。

图 7. 电致变色器件的双稳态。(a) 基于 PHPA、PHEA、PMMA 和 PBA 凝胶薄膜的器件的电致变色特性。(b) PHPA、PHEA、PMMA 和 PBA 凝胶薄膜的红外光谱。(c) 具有不同 PHPA-PMMA 凝胶薄膜的器件的稳态时间。(d) 聚合物氢致染料分子稳态的机理图。

图 8. (a) 电致变色器件的应用概念图。(b) 蝴蝶双稳态节能展示窗。

【总结】

团队提出了一种氢键方法来构建聚合物网络，以实现电致变色离子凝胶的高机械性能和高弹性，并具有优异的电致变色性能和双稳定性。薄膜的力学性能和流变性能表征表明，含6wt%PMMA和20wt%PC的凝胶具有优异的拉伸回弹性。双稳态器件的电致变色特性通过动态变色过程和双稳态的表征来描述。电致变色离子凝胶具有优异的综合性能，尤其是双稳态性能。本文成功展示了一种双稳态柔性电致变色器件，将推动开关器件在电致变色玻璃应用中的发展，有望为节能器件和柔性可穿戴产品的应用做出贡献。

参考文献：doi.org/10.1021/acsami.1c05768

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