還能變色?揭秘氧化鎢隱藏屬性

距今50多年前,美國密西根大學的Platt教授在1961年發現將材料通電後產生可逆的顏色變化,並將此現象定義成電致變色(Electrochromism)現象。後來在1969年,Deb在美國Cyanamid公司進行三氧化鎢(WO3)研究時,組裝了電致變色元件的樣品。

嚴格說起來,電致變色技術真正的誕生通常歸因於Deb於1973年發表的創新論文,文中他描述了三氧化鎢中的著色機制及電致變色材中發生的氧化還原反應使得材料產生顏色變化。然後根據這些原理開始具體應用,可以使用各種類型的材料和結構來建立電致變色組件。近年來各國針對節能議題都因能源政策或計畫執行而投入大量資金發展,相信未來應用此技術所衍生的各式產品將會大量出現在我們的日常生活當中。

電致變色圖片

目前電致變色技術的應用市場相當廣泛,可應用在節能智慧窗、汽車天窗及防眩光後視鏡、電子紙、電子標籤、太陽能電池、手機攝像頭及OLED顯示器等,隨著電子工業的迅速發展,電致變色玻璃迎來了高速發展期,它將擁有更多的顏色選擇以及更加快的變色速度。現市面上的大部分電致變色玻璃窗都是通過向兩片玻璃塗抹半透明氧化銦錫或摻氟氧化錫薄膜來使其獲得導電性,然後再往其中一片玻璃上塗抹電致變色氧化鎢,隨後用過一種膠水狀電解質將兩片玻璃黏著在一起。

電致變色材料主要分為無機材料和有機材料。無機材料可分為金屬氧化物及共價鍵金屬錯合物。金屬氧化物具代表性材料為三氧化鎢(WO3),變色的原理主要是無機材料能量軌域剛好落于可見光區的能量範圍之內,所以金屬氧化物的價數改變時,剛好可遮蔽可見光區,反射出我們肉眼所見的顏色,有些特別的氧化鎢衍生化合物甚至具備氧化還原的雙極特性。除了氧化鎢之外,常見的共價鍵金屬錯合物則屬普魯士藍(Prussian Blue),其原理也是在不同價數下的吸收能量改變了材料本身的吸收光譜。

氧化鎢這種隨機應變的隱藏功能有望被應用於新能源電池領域。近來,中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所趙志剛課題組研製出一種高容量、快速充電的電致變色電池。這種電池以氧化鎢(W18O49)納米線和金屬鋁分別作為正、負極,具有別具特色的新優勢:能夠和使用者建立一個可以通過顏色變化識別容量多少的介面,透明狀態時電量為充滿狀態,顏色逐漸變藍標誌著存儲電量開始消耗,顏色最深時代表電量耗盡;此電池可通過加入微量雙氧水實現快充(8s內充滿),也可以使用傳統的外接電源來充電以及利用空氣中的氧氣實現自充電;電池容量高出同類電池6倍多,這種技術未來會不會被應用於新能源汽車還言之過早,但隨著時間的推移,它一定能改變並提升我們周邊的的生活細節和品質。

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電池作為能量記憶體件,在人們的生產和生活中扮演著至關重要的角色。將電池技術與其他先進技術融合,使其在完成能量存儲功能的同時賦予其更多新功能,是當今電池研發的前沿和方向之一。電致變色電池是將電池技術與電致變色技術相融合製備的一種新型電池,它擁有獨特的顏色變化特性,能夠通過自身顏色差異來顯示電池容量的多少,在使用者和電池之間建立了一種交互介面。然而作為一個新的研究領域,現階段電致變色電池面臨著諸多挑戰,其容量、充電時間和迴圈穩定性能等都不夠理想,但毫無疑問的是,研究為電致變色電池的未來發展開闢了一條新的道路,擁有不可限量的市場潛力。

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