Een helder (veel)gekleurde toekomst voor elektrochrome apparaten schijnt in het verschiet

Levendige weergaven, verrijkte kleurvariaties en verhoogde stabiliteit zijn iets waar iedereen naar uitkijkt naarmate er vooruitgang wordt geboekt op het gebied van elektrochromische apparaten (ECD)

Elektrochrome apparaten (ECD’s) zijn nuttig bij het beheersen van optische eigenschappen zoals reflectie en absorptie en zijn vooral relevant als het gaat om gebruik in slimme ramen, achteruitkijkspiegels en adaptieve camouflage. Helaas vertonen de veelgebruikte elektrochrome materialen een matte weergave met minimale kleurveranderingen en een slechte cyclusstabiliteit, waarbij vaak alleen wordt getransformeerd tussen transparantie en een enkele kleur met trage schakelsnelheden.

Deze studie toont het gebruik aan van een meer compatibele component in de vorm van een zeer poreus tinoxide (SnO₂) nanosheet-steiger, die een betere cyclus, meer kleurvariaties en naadloze prestaties biedt dan wat de huidige technologie te bieden heeft.

Onderzoekers publiceerden hun werk in Nano-onderzoek.

“We hebben een algemene strategie gedemonstreerd om de fietsstabiliteit en optische modulatie van typische elektrochrome materialen (bijv. PANI, V₂O₅WO₃) door een nanogestructureerd SnO te introduceren₂ nanosheet-steiger tussen actieve elektrochrome materialen en de geleidende substraten”, zegt Guofa Cai, onderzoeker en auteur van de studie.

De typische elektrochrome materialen die nu worden gebruikt zijn polyalanine (PANI) en vanadiumpentoxide (V₂O₅) maar deze materialen zijn niet ideaal vanwege hun slechte hechting aan het substraat waarop ze zijn gemonteerd, wat onder andere leidt tot slechte fietsstabiliteit en een beperkt kleurbereik.

Incompatibele lagen in de “sandwich”-achtige samenstelling van de vijf functionele lagen waaruit een ECD bestaat, zijn het startpunt voor het creëren van een beter product dat beter in staat is tot levendige kleuren in de displays en langdurige stabiliteit tijdens het schakelen tussen kleuren of bleken.

“De poreuze SnO₂ scaffold vergroot het elektrochemisch actieve gebied en vergemakkelijkt de diffusie van ionen, waardoor de elektrochrome eigenschappen van de composietfilms worden verbeterd”, aldus Cai.

Door een nanogestructureerde scaffold tussen de substraatlaag en actieve elektrochrome componenten te introduceren, wordt een betere heterostructuur bereikt. Dit is te danken aan de verhoogde porositeit van het SnO₂ nanosheet-scaffold die een beter transport van ionen tussen de lagen mogelijk maakt, evenals een verbeterd hechtingsvermogen. Deze veranderingen, die misschien klein lijken, hebben een behoorlijk effect op de algehele prestaties van ECD’s bij het vergelijken van dezelfde elektrochrome materialen met en zonder de SnO₂ nanosheet-steiger.

De SnO₂ scaffold verbeterde kleurveranderingen in de composietelektrode V₂O₅ en de optische modulatie van WO₃ (wolfraamtrioxide) met 16%. Bovendien vertoonde ook de optische cyclusstabiliteit verbetering: beide WO₃ en V₂O₅ duurde meer dan 2000 cycli met SnO₂en zonder duurden respectievelijk slechts ongeveer 300 en 1300 cycli.

Dit is een aanzienlijk verschil, vooral voor technologieën waarbij kleuren en dekking meerdere keren per dag of zelfs per uur kunnen wisselen, zoals in vensters of elektronische beeldschermen.

Het gebruik van typische metaaloxiden of geleidende polymeren als actieve elektrochrome materialen, samen met de tinoxide nanosheet-scaffold, zorgen voor zulke rijke kleurvariaties die vóór dit onderzoek niet zijn waargenomen. In de toekomst kan er een breder scala aan opwindende en variërende kleuren in petto zijn voor ECD’s.

Dit kan het uiterlijk en de prestaties van opkomende elektrochrome apparaten zoals e-paper, slimme vensters en elektronische beeldschermen verbeteren, en kan later de verspilling verminderen wanneer ECD’s die meer “traditionele” composities gebruiken, niet goed functioneren en moeten worden vervangen.

De toekomst van elektrochrome apparaten die SnO gebruiken₂ want een steiger is een slimme, en de studie bracht weinig of geen problemen aan het licht. Eén ding dat onderzoekers opmerkten was een langere dan gewenste schakeltijd tijdens het kleuringsproces. Hieraan zou kunnen worden gewerkt om in latere iteraties van het proces te worden ingekort, maar dit is geen groot probleem, vooral niet als we het succes van het onderzoek met de momenteel beschikbare technologie in ogenschouw nemen.