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Nano Res.[能源]│中国科学院苏州纳米所苏文明团队:超柔性电解质以及电致变色器件制备

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背景介绍


柔性电致变色器件由于具有低工作电压和低能耗的优势,在可穿戴电子显示领域具有非常广阔的应用前景。对于柔性电致变色器件而言,柔性电解质是非常重要的组成部分。传统的液态电解质存在的泄露问题,而固体电解质性能较差。凝胶电解质虽然具有较好的柔性,但是在弯曲过程中,电解质受到应力造成厚度发生变化,从而导致器件失效。通常情况下,每种器件结构都对应着特定的电解质配方,一旦器件结构发生变化(如离子储存层发生改变),对应的电解质的组成也要发生相应变化,从而获得优异的器件性能,而这极大地增加了电解质开发的成本。


成果简介


本文提出了一种基于紫外交联型电解质的固液主客体电解质的普适性策略(UV-SLHG)。通过一步紫外光照射直接获得固液两相共存的复合电解质。在UV-SLHG结构中,固态组分将液态电解质紧紧束缚在一定区域内,解决了液体泄露的问题。液态部分保持了电解质较高的离子电导率。同时,在拉伸和弯曲过程中,液相的形状发生改变,从而显著提高了电解质的拉伸和弯曲性能。更重要的是,固态组分能够给予电解质薄膜一定的支撑效果,使电解质在电致变色器件弯曲过程中,厚度不发生明显变化,使电致变色器件能够正常工作。基于以上工作,首次将SLHGC应用于电致变色器件中,在不改变电解质配方前提下获得优异的器件性能。


图文导读


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图1 UV-SLHG电解质策略简介(a) UV-SLHG电解质的制备过程,(b) UV-SLHG电解质的分子结构,(c) UV-SLHG电解质的弯曲过程示意图,(d) UV-SLHG电解质的拉伸示意图。


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图2 SLHGC提升电解质的综合性能不同固化比例电解质薄膜的:(a) 透过率,(b)电化学窗口,(c)离子电导率。(d)UV-SLHG电解质在不同基底(PProDOT、PEDOT和玻璃)的粘附性。(e)全固化电解质和UV-SLHG电解质(50%液态占比)的拉伸性能。(f) UV-SLHG电解质薄膜(50%液态占比)在半径为2.5 mm的弯曲测试过程中的离子电导率和透过率。弯曲过程中电解质厚度的变化:(g)凝胶电解质,(h) SLHG电解质。


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图3 电致变色器件性能(a)基于UV-SLHG电解质的ECD器件结构。(b) ECD在0.8 V/−0.6 V驱动5 s后不同时间的透射光谱;插图为在不同时间内ECD漂白/着色的光学图像。(c)ECD在0.8 V/−0.6 V下循环漂白/着色20万次的透射光谱。(d)ECD在550 nm处,0.8 V/−0.6 V的方波电压下的开关速度。


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图4 柔性电致变色器件性能(a)柔性器件结构示意图。(b)FECD在0.8 V/-0.6 V驱动电压下的响应时间。(c)在5,000次循环中记录550 nm处透射率的变化。(d)基于不同类型电解质FECD弯曲后的照片。(e) FECD经过不同循环弯曲次数后的透射率变化。(f)比较了FECD的弯曲性能。(g)采用针刺、加热、裁剪等方法验证了电解质不会发生泄露,器件工作正常。(h)面积为10 cm × 10 cm的SLHG电解质ECD在漂白/着色态(第1个循环和循环20,000次后)下的照片。


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图5 曲面ECDs的制备及其应用展示(a)二次固化工艺流程图,(b)曲面ECD照片,(c)基于曲面ECD的矿泉水包装标签。


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图6 NFC驱动柔性电致变色器件的应用展示(a)柔性ECD戒指。(b) NFC驱动的ECD智能标签。(c) NFC智能标签电路图。


作者简介


课题组网站:www.sinano-perc.com

第一作者简介:
谭长伟:江苏大学与苏州纳米所联培硕士生。主要研究方向为柔性电致变色器件。

通讯作者简介:
吴馨洲:中科院苏州纳米所,任高级工程师。主要研究方向:丝网印刷浆料制备、丝网印刷技术研究、电致变色器件制备、柔性可拉伸电路(皮肤电子、布基电路等)。承担及参与国家重点研发计划、先导专项、华为等合作项目十余项;在著名国际期刊上发表学术论文20余篇。E-mail:xzwu2011@sinano.ac.cn。

苏文明:中科院苏州纳米所、中科大研究员/博导,中科院青年创新促进会会员。印刷电子技术研究中心课题组长。中科院先导专项变革性纳米产业制造(战略A类)子课题负责人,承担国家基金联合重点项目,江苏省重点研发计划项目,院装备项目等任务20余项;还承担华为、TCL、福耀、海信、中钞等龙头企业技术委托横向项目数十项。在Adv. Funct. Mater.、Adv. Sci.、PNAS、Adv. Mater.等期刊上发表论文百余篇。主要研究方向:印刷&柔性显示关键材料与技术、印刷&柔性绿色增材制造透明导电膜、特种电路、元器件系统及其应用。E-mail:wmsu2008@sinano.ac.cn。

柏凌:江苏大学材料科学与工程学院教授。主要研究方向为:结合自组装、微加工、3D打印等技术,构建分级结构光功能材料与器件,用于生物(力学)传感、光电探测、高端防伪等。在Adv. Mater.、ACS Nano等期刊发表多篇论文。E-mail:lingmubai@ujs.edu.cn。

致谢:
感谢苏州纳米所Nano-X在测试上的帮助。感谢湖南纳昇电子科技有限公司提供的PEDOT:PSS/银纳米线薄膜。感谢NSFC (Grant No. 22002051),2022YFB3606503等项目的经费支持。


文章信息


Changwei Tan, Zishou Hu, et al.In-situ-selective-UV crosslinking fabrication of solid liquid hostguest electrolyte: A facile one-step method realizing highly flexibleelectrochromic device.Nano Research, 2024,https://doi.org/10.1007/s12274-024-6921-x



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