[发明专利]一种电致变色器件用聚合物固态电解质胶膜及其制备方法和应用

说明书

本发明提供一种电致变色器件用聚合物固态电解质胶膜，其特征在于，由聚乙烯醇缩丁醛、硅烷偶联剂和锂盐添加剂组成，所述聚乙烯醇缩丁醛和所述硅烷偶联剂进行交联反应，所述聚合物固态电解质胶膜具有较低的结晶度。通过采用本发明的技术方案，以硅烷偶联剂作为添加剂，利用硅烷偶联剂中Si‑O‑R基团与聚乙烯醇缩丁醛中的羟基产生交联反应，形成具有三维交联的网状结构，在具有良好的光学、热学性能和力学性能的同时，提升了室温离子电导率，使之符合电致变色器件的应用要求。

技术领域

本发明涉及聚合物薄膜技术领域，尤其涉及一种电致变色器件用聚合物固态电解质胶膜及其制备方法和应用。

背景技术

电致变色现象是指外加电场的作用下，电子和带正电荷的离子(Li⁺、H⁺或Na⁺等)嵌入或脱出电致变色材料，从而实现稳定、可逆颜色变化的现象，因此，电致变色玻璃作为新一代建筑节能玻璃拥有巨大的应用前景。商业用电致变色玻璃需要具有循环稳定性好、低成本、可大面积推广生产等特点。

通常地，电致变色器件由五层结构组成，即底部透明导电层、电致变色层、离子传输层、离子储存层和顶部透明导电层。底部和顶部的两层透明导电层通常为ITO或者FTO，电致变色层的典型材料为氧化钨，离子储存层的典型材料为氧化镍。离子传输层，也称为电解质层，位于电致变色层和离子存储层之间，不仅起到离子传输的作用，同时起到电子绝缘的作用，阻止电流直接从电解质中流动。电解质层的性能直接影响器件的开关时间、着色效率和循环寿命。为实现低成本的大面积商业化电致变色器件的生产，夹胶层压技术的使用逐渐成为主流，即，先采用磁控溅射或其他方法单独制备玻璃/ITO/WO₃及玻璃/ITO/NiO结构，然后使用一个透明的聚合物电解质层作为粘合剂胶膜，通过高温夹胶层压工艺实现电致变色器件的制备。鉴于此，为了满足实际的应用要求，聚合物电解质应具备高室温离子电导率(大于10^-6S/cm)、高可见光透过率、高粘结力、高热稳定性以及低成本易加工等性能。结合现有技术，直至目前，能同时满足上述应用要求的聚合物电解质的设计与制备仍是电致变色器件应用领域一个热点和难点。

以聚乙烯醇缩丁醛为基础的聚合物是目前主流的安全夹胶玻璃的中间层胶膜材料，其具有抗紫外、高透明、高粘结力等优良的性能，但其室温离子电导率较低(通常小于10^-8S/cm)，不能满足电致变色器件在常温条件下运行的要求。为了提升该聚合物材料的室温离子电导率，现有技术一般采用如下两种方案：

第一种是形成类固态的凝胶聚合物电解质(GPE)，即在GPE中利用聚合物链段包涵大量(20％以上)溶剂，如N，N-二甲基乙酰胺(Ionics，2017，24，1385-1389)、N-甲基吡咯烷酮(Electrochimica Acta，2007，53，1643-1647)以及碳酸丙烯酯(Ionics，2017，23，1879-1888)等，依靠离子在溶剂中的扩散来实现10^-3～10^-5S/cm的室温离子电导率。然而，这种大量溶剂的应用会导致聚合物胶膜机械力学性能的下降，不容易实现与玻璃的牢固粘结，影响夹胶玻璃的安全性能，此外，还带来器件的易燃问题，这些溶剂具有很强的易燃性，不但不能阻挡火焰的蔓延，还能加速燃烧的过程。

另一种是形成不含有任何溶剂的聚合物固态电解质(SPE)，主要方法包括在聚合物中添加高浓度锂盐(Chin.J.Polym.Sci.，2022，40，1213-1222)、聚乙二醇(J.PowerSources，2009，187，305-311)以及乙醛酸(美国专利US20060159610A1)等物质，其离子电导机制主要依靠聚合物主链的链段迁移来实现，所制备样品的室温离子电导率通常在10^-6～10^-7S/cm。由于体系中不含有机溶液，聚合物固态电解质将是未来电致变色器件技术发展的主流方向，但是依然存在离子电导率偏低、成本较高(如锂盐浓度高)等问题，限制了其大规模、低成本的推广应用。