Durante l'ingegneria dei materiali, una rete di minuscoli fori o pori può migliorare la capacità di accumulo di energia dei materiali per applicazioni come finestre intelligenti. Le finestre intelligenti sono piattaforme le cui proprietà di trasmissione della luce possono essere alterate quando la luce, viene applicata tensione o calore. Gli scienziati possono controllare la frazione di luce che passa attraverso il materiale utilizzando una tensione elettrica per passare elettricamente da materiali trasparenti a opachi durante il trasferimento di carica. Sebbene questa funzione sia associata allo stoccaggio e al rilascio di energia, gli stessi materiali possono essere utilizzati anche per l'accumulo di energia. In un nuovo rapporto, Jeon-Woo Kim e un team di scienziati della Pohang University of Science and Technology in Corea del Sud hanno sviluppato e migliorato supercondensatori elettrocromici realizzati con triossido di tungsteno (WO ₃ ). Hanno usato un processo di autoassemblaggio indotto dall'evaporazione per depositare un film di triossido di tungsteno con pori, dove l'architettura porosa ha aumentato la velocità di commutazione e la capacità nel materiale rispetto ai tradizionali film sottili di triossido di tungsteno. L'opera è ora pubblicata su Materiali dell'Asia della natura .

Fotonica:finestre intelligenti e accumulo di energia

Durante questo lavoro, Kim et al. hanno dimostrato la risposta ultraveloce dei supercondensatori elettrocromici esplorando la struttura mesoporosa dei materiali costituenti. I dispositivi elettrocromici (ECD) possono generare cambiamenti di colore reversibili che corrispondono all'elettricità con applicazioni promettenti su finestre intelligenti, display e mimetica militare. I dispositivi possono anche controllare la trasmissione della luce per costruire materiali per edifici ad alta efficienza energetica adattivi al clima. La funzionalità degli ECD può essere estesa ai dispositivi di accumulo di energia noti come supercondensatori elettrocromici (ECS). Tali supercondensatori sono sempre più oggetto di studio come componenti elettrochimici di nuova generazione in grado di modificare le proprie proprietà ottiche e immagazzinare l'energia fornita. Le loro caratteristiche ottiche intrinseche possono quindi rivelare direttamente i livelli di energia in tempo reale immagazzinati all'interno. I ricercatori avevano sviluppato tali dispositivi ad alte prestazioni utilizzando cromofori elettrocromici basati su ossidi di metalli di transizione come il triossido di tungsteno grazie alle loro proprietà elettrochimiche superiori. I display elettrocromici sviluppati qui possono cambiare colore in base ai livelli di energia immagazzinati e il prodotto avrà ampie implicazioni come materiali per finestre intelligenti di prossima generazione per edifici e accumulo di energia portatile.

Sviluppo dei nuovi materiali e costruzione del dispositivo

Gli scienziati hanno dettagliato il processo di fabbricazione utilizzando una soluzione mista di tetraidrofurano e polistirene- bloccare -ossido di polietilene ed esacloruro di tungsteno a base di etanolo (WCl ₃ ) come precursore del triossido di tungsteno. Il film risultante conteneva compositi inorganici-organici. Hanno quindi calcinato il composito per rimuovere parzialmente i componenti organici e trasformare il resto in carbonio amorfo. I componenti inorganici sono stati sottoposti a condensazione per formare triossido di tungsteno e il film composito risultante conteneva una struttura di triossido di carbonio/tungsteno. Il team ha successivamente esposto il film al plasma di ossigeno per eliminare il carbonio amorfo, che hanno confermato utilizzando la spettroscopia Raman. Utilizzando la microscopia elettronica a scansione (SEM), gli scienziati hanno supportato la struttura mesoporosa del risultante triossido di tungsteno (WO ₃ ) film con pori piccoli (meno di 30 nm) e uno spessore di circa 250 nm.

Kim et al. dinamica ultraveloce attesa con WO . mesoporoso ₃ supercondensatori elettrocromici (denotati meso -WO ₃ -EC), e per confronto, hanno anche sviluppato un dispositivo compatto denotato compatto -WO ₃ -EC che utilizzano WO ₃ nanoparticelle. Successivamente hanno registrato gli spettri di trasmittanza UV-vis a varie tensioni applicate per comprendere il comportamento elettrocromico dei due dispositivi. Quando la tensione applicata aumenta, la trasmittanza è diminuita gradualmente attraverso l'intera gamma di lunghezze d'onda della luce visibile a causa delle reazioni redox nella configurazione. Il team potrebbe quindi recuperare lo stato sbiancato trasparente del dispositivo applicando una tensione di 2,3 .

Confronto delle funzionalità del dispositivo

Per confrontare la risposta dinamica elettrocromica dei due dispositivi, Kim et al. registrato i profili di trasmittanza a 700 nm, e a potenziali alternati. Il meso -WO ₃ -Il dispositivo ECS ha mostrato un'ampia modulazione ottica e una colorazione ultraveloce in 0,8 secondi e un tempo di sbiancamento di 0,4 secondi, notevolmente più veloce rispetto ai rapporti precedenti. Il team non ha ottenuto uno stato di colorazione e sbiancamento altrettanto stabile nelle stesse condizioni con compatto -WO ₃ -ECS. I risultati dipendevano dalla superficie dei dispositivi, dove il meso -WO ₃ -Il dispositivo ECS ha consumato meno energia rispetto al compatto -WO ₃ -ECS.

Tipicamente, i dispositivi a supercondensatore elettrocromico devono mantenere la stabilità del ciclo in condizioni di risposta rapida. Ulteriori test in condizioni di cambio rapido tra colorazione e sbiancamento per 1000 cicli hanno quindi mostrato come il dispositivo mesoporoso ha mantenuto l'85,5% della sua modulazione ottica originale, mentre calava la modulazione ottica dei dispositivi compatti. Il team ha attribuito l'eccellente stabilità del dispositivo mesoporoso alla sua caratteristica architettura con un'ampia superficie, adatto per applicazioni dinamiche che richiedono una risposta rapida.

Dinamiche di trasferimento di carica

Kim et al. successivamente ha confrontato il trasferimento di carica e la cinetica ionica dei dispositivi e i risultati hanno mostrato una minore resistenza di contatto, minore resistenza al trasferimento di carica e minore resistenza alla diffusione ionica per i dispositivi mesoporosi. I dispositivi hanno mostrato capacità di immagazzinamento della carica significativamente differenti man mano che la densità di corrente funzionale aumentava. Il lavoro ha implicato che i supercondensatori mesoporosi siano più promettenti rispetto ai dispositivi compatti per formare dispositivi di carica e scarica rapida con un'eccezionale stabilità a lungo termine. Il team ha quindi visualizzato direttamente i livelli di energia immagazzinata dei supercondensatori. Il dispositivo mesoporoso non ha mostrato un degrado significativo del contrasto ottico, che hanno attribuito alle sue proprietà di trasporto ionico efficaci e veloci. Con dispositivi compatti, la modulazione ottica è diminuita drasticamente mentre la densità di corrente è aumentata, i dispositivi compatti non erano quindi così efficienti per la funzionalità ad alta velocità a causa del loro trasporto ionico inefficiente e del lento trasferimento di carica.

Autoassemblaggio indotto da stampa ed evaporazione

Il team ha quindi combinato la stampa e l'autoassemblaggio indotto dall'evaporazione per sviluppare l'unità altamente funzionale, accumulo di energia, display con supercondensatori elettrocromici. Questo processo di stampa ha prodotto una struttura micellare attraverso l'ugello dopo l'evaporazione, che hanno poi sottoposto a calcinazione sequenziale e trattamento al plasma di ossigeno per formare un WO mesoporoso modellato ₃ dispositivo per applicazioni di accumulo di energia. Quando hanno caricato il dispositivo, i modelli sono diventati blu scuro per indicare lo stato di carica. Per dimostrare il suo meccanismo d'azione, il team ha collegato il dispositivo a un diodo a emissione di luce bianca (LED) che inizialmente emetteva luce, quando l'energia immagazzinata è stata consumata, il dispositivo è tornato al suo stato trasparente originale.

Outlook:elettronica intelligente di nuova generazione.

In questo modo, Jeon-Woo Kim e colleghi hanno sviluppato supercondensatori elettrocromici multifunzionali basati su WO mesoporoso amorfo ₃ film. Rispetto alla versione compatta dei supercondensatori elettrocromici ( compatto -WO ₃ -ECS), i supercondensatori elettrocromici mesoporosi ( meso -WO ₃ -ECS) ha mostrato prestazioni superiori. Gli scienziati hanno attribuito questo alla sua ampia superficie e alla sua natura amorfa. I dispositivi mesoporosi funzionavano rapidamente per fungere da display riflettenti elettrochimici e per immagazzinare carica elettrica. Questa configurazione può alimentare anche altri dispositivi elettronici, poiché l'intensità del colore del motivo sul dispositivo indicava il livello di energia immagazzinata all'interno. I risultati avranno un enorme potenziale per formare l'elettronica intelligente di prossima generazione.

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