Supercondensateurs électrochromes extrêmement rapides

Fabrication et caractérisation de films WO3 mésoporeux. (a) Schéma montrant le processus de fabrication du film mésoporeux WO3. (b) Image de microscopie électronique à balayage (MEB) (vue de dessus) du film mésoporeux WO3 (en médaillon :vue en coupe). c Spectres XPS W 4f du film mésoporeux WO3. d Modèles XRD du film mésoporeux WO3 et du verre FTO nu. e Image HR-TEM du film mésoporeux WO3 (encart :motif SAED). Crédit :NPG Asia Materials, doi:10.1038/s41427-020-00257-w

Au cours de l'ingénierie des matériaux, un réseau de minuscules trous ou pores peut améliorer la capacité de stockage d'énergie des matériaux pour des applications telles que les fenêtres intelligentes. Les fenêtres intelligentes sont des plates-formes dont les propriétés de transmission de la lumière peuvent être modifiées lorsque la lumière, la tension ou la chaleur est appliquée. Les scientifiques peuvent contrôler la fraction de lumière traversant le matériau en utilisant une tension électrique pour passer électriquement des matériaux transparents aux matériaux opaques pendant le transfert de charge. Bien que cette caractéristique soit associée au stockage et à la libération d'énergie, les mêmes matériaux peuvent également être utilisés pour le stockage d'énergie. Dans un nouveau rapport, Jeon-Woo Kim et une équipe de scientifiques de l'Université des sciences et technologies de Pohang en Corée du Sud ont développé et amélioré des supercondensateurs électrochromes fabriqués à partir de trioxyde de tungstène (WO 3 ). Ils ont utilisé un processus d'auto-assemblage induit par évaporation pour déposer un film de trioxyde de tungstène avec des pores, où l'architecture poreuse a augmenté la vitesse de commutation et la capacité dans le matériau par rapport aux films minces de trioxyde de tungstène conventionnels. L'ouvrage est désormais publié sur Nature Asie Matériaux .

Photonique :fenêtres intelligentes et stockage d'énergie

Au cours de ce travail, Kim et al. a démontré la réponse ultrarapide des supercondensateurs électrochromes en explorant la structure mésoporeuse des matériaux constitutifs. Les dispositifs électrochromes (ECD) peuvent générer des changements de couleur réversibles qui correspondent à l'électricité avec des applications prometteuses dans les fenêtres intelligentes, affichages et camouflage militaire. Les appareils peuvent également contrôler la transmission de la lumière pour construire des matériaux pour des bâtiments écoénergétiques adaptés au climat. La fonctionnalité des ECD peut être étendue aux dispositifs de stockage d'énergie appelés supercondensateurs électrochromes (ECS). De tels supercondensateurs sont de plus en plus étudiés en tant que composants électrochimiques de nouvelle génération capables de modifier leurs propres propriétés optiques et de stocker l'énergie fournie. Leurs caractéristiques optiques inhérentes peuvent donc révéler directement les niveaux d'énergie en temps réel stockés à l'intérieur. Les chercheurs ont développé de tels dispositifs hautes performances en utilisant des chromophores électrochromes à base d'oxydes de métaux de transition tels que le trioxyde de tungstène en raison de leurs propriétés électrochimiques supérieures. Les écrans électrochromes développés ici peuvent changer de couleur en fonction de leurs niveaux d'énergie stockés et le produit aura de larges implications en tant que matériaux de fenêtre intelligents de nouvelle génération pour les bâtiments et le stockage d'énergie portable.

Développer les nouveaux matériaux et construire le dispositif

Performances électrochromes (EC) des supercondensateurs électrochromes (ECS) méso- et compacts-WO3. (a) Structure ECS utilisée dans ce travail. (b) Spectres de transmittance du meso-WO3 ECS en fonction des tensions appliquées (en médaillon :photographies des états colorés et décolorés). (c) Réponses optiques in situ du compact-WO3 ECS (ligne rouge) et du méso-WO3 ECS (ligne bleue). (d) Courbes isothermes d'adsorption-désorption d'azote du WO3 mésoporeux et compact. (e) Distribution de la taille des pores du WO3 mésoporeux. (f) Variation de la densité optique en fonction de la densité de charge injectée. (g) Stabilité du cycle de coloration/blanchiment des deux ECS pendant 1000 cycles. Crédit :NPG Asia Materials, doi:10.1038/s41427-020-00257-w

Les scientifiques ont détaillé le processus de fabrication en utilisant une solution mixte de tétrahydrofurane et de polystyrène- bloquer -oxyde de polyéthylène et hexachlorure de tungstène à base d'éthanol (WCl 3 ) comme précurseur du trioxyde de tungstène. Le film résultant contenait des composites inorganiques-organiques. Ils ont ensuite calciné le composite pour éliminer partiellement les composants organiques et transformer le reste en carbone amorphe. Les composants inorganiques ont subi une condensation pour former du trioxyde de tungstène et le film composite résultant contenait une structure carbone/trioxyde de tungstène. L'équipe a ensuite exposé le film à un plasma d'oxygène pour éliminer le carbone amorphe, ce qu'ils ont confirmé en utilisant la spectroscopie Raman. En utilisant la microscopie électronique à balayage (MEB), les scientifiques ont soutenu la structure mésoporeuse du trioxyde de tungstène résultant (WO 3 ) film à petits pores (inférieurs à 30 nm) et d'une épaisseur d'environ 250 nm.

Kim et al. dynamique ultrarapide attendue avec WO mésoporeux 3 -supercondensateurs électrochromes (notés méso -WO 3 -CE), et pour comparaison, ils ont également développé un appareil compact noté compact -WO 3 -EC utilisant WO 3 nanoparticules. Par la suite, ils ont enregistré les spectres de transmittance UV-vis à diverses tensions appliquées pour comprendre le comportement électrochrome des deux dispositifs. Lorsque la tension appliquée a augmenté, la transmittance a progressivement diminué sur toute la gamme des longueurs d'onde de la lumière visible en raison des réactions redox dans l'installation. L'équipe a ensuite pu récupérer l'état blanchi transparent de l'appareil en appliquant une tension de 2,3.

Comparer les fonctionnalités de l'appareil

Pour comparer la réponse dynamique électrochrome des deux appareils, Kim et al. enregistré les profils de transmittance à 700 nm, et aux potentiels alternatifs. Les méso -WO 3 -Le dispositif ECS a montré une grande modulation optique et une coloration ultrarapide en 0,8 seconde et un temps de blanchiment de 0,4 seconde, nettement plus rapide que les rapports précédents. L'équipe n'a pas obtenu un état similaire stable de coloration et de décoloration dans les mêmes conditions avec compact -WO 3 -ECS. Les résultats dépendaient de la surface des appareils, où le méso -WO 3 -Le dispositif ECS consomme moins d'énergie que le compact -WO 3 -ECS.

Caractéristiques de stockage d'énergie des ECS méso- et compact-WO3. (a) Courbes de charge/décharge galvanostatique (GCD) du méso-WO3 ECS à différentes densités de courant. (b) Dépendance de la rétention de capacité des ECS compact et méso-WO3 sur les densités de courant de charge/décharge. (c) Stabilité du cycle de charge/décharge des ECS à une densité de courant de 1,0 mA/cm2. (d) Courbe GCD à 1,0 mA/cm2 et le profil de transmittance in situ correspondant à 700 nm pour le meso-WO3 ECS. (e) Photographies du méso-WO3 ECS pendant le processus de charge et de décharge. (f) Illustration schématique de l'intercalation des ions dans méso- (à gauche) et compact-WO3 (à droite). Crédit :NPG Asia Materials, doi:10.1038/s41427-020-00257-w

Typiquement, les dispositifs à supercondensateurs électrochromes doivent maintenir une stabilité de cyclage dans des conditions de réponse rapide. Des tests supplémentaires dans des conditions de commutation rapide entre la coloration et le blanchiment pendant 1000 cycles ont donc montré comment le dispositif mésoporeux conservait 85,5% de sa modulation optique d'origine, tandis que la modulation optique des appareils compacts a chuté. L'équipe a attribué l'excellente stabilité du dispositif mésoporeux à son architecture caractéristique avec une grande surface, bien adapté aux applications dynamiques qui nécessitent une réponse rapide.

Dynamique de transfert de charge

Kim et al. ensuite comparé le transfert de charge et la cinétique ionique des dispositifs et les résultats ont montré une résistance de contact plus faible, résistance de transfert de charge plus faible et résistance de diffusion ionique plus faible pour les dispositifs mésoporeux. Les dispositifs ont montré des capacités de stockage de charge significativement différentes à mesure que la densité de courant fonctionnelle augmentait. Le travail impliquait que les supercondensateurs mésoporeux soient plus prometteurs que les dispositifs compacts pour former des dispositifs de charge et de décharge rapides avec une stabilité à long terme exceptionnelle. L'équipe a ensuite visualisé directement les niveaux d'énergie stockée des supercondensateurs. Le dispositif mésoporeux n'a montré aucune dégradation significative du contraste optique, qu'ils attribuent à ses propriétés de transport d'ions efficaces et rapides. Avec des appareils compacts, la modulation optique a considérablement diminué tandis que la densité de courant a augmenté, les appareils compacts n'étaient donc pas aussi efficaces pour une fonctionnalité à haut débit en raison de leur transport d'ions inefficace et de leur transfert de charge lent.

Application de l'auto-assemblage induit par évaporation par impression combinée (PEISA) pour la fabrication d'ECSD fonctionnels. (a) Illustration schématique de PEISA. (b) Images OM (à gauche) et SEM (à droite) de WO3 mésoporeux fabriquées par PEISA. (c) Photographies de l'ECSD pendant le test de charge réversible (coloration du motif) et de décharge (lumière LED allumée et blanchiment). Pour cette application, deux ECSD étaient connectés en série. Crédit :NPG Asia Materials, doi:10.1038/s41427-020-00257-w

Auto-assemblage par impression et évaporation

L'équipe a ensuite combiné l'impression et l'auto-assemblage induit par l'évaporation pour développer le système hautement fonctionnel, stockage d'énergie, affichages à supercondensateurs électrochromes. Ce procédé d'impression a produit une structure micellaire à travers la buse après évaporation, qu'ils ont ensuite soumis à une calcination séquentielle et à un traitement au plasma d'oxygène pour former un WO mésoporeux à motifs 3 dispositif pour les applications de stockage d'énergie. Lorsqu'ils ont chargé l'appareil, les motifs sont devenus bleu foncé pour indiquer l'état chargé. Pour prouver son mécanisme d'action, l'équipe a connecté l'appareil à une diode électroluminescente (LED) qui émettait initialement de la lumière, quand l'énergie stockée a été consommée, l'appareil est revenu à son état transparent d'origine.

Perspectives :l'électronique intelligente de nouvelle génération.

De cette façon, Jeon-Woo Kim et ses collègues ont développé des supercondensateurs électrochromes multifonctionnels à base de WO mésoporeux amorphe 3 cinéma. Par rapport à la version compacte des supercondensateurs électrochromes ( compact -WO 3 -ECS), les supercondensateurs électrochromes mésoporeux ( méso -WO 3 -ECS) a montré des performances supérieures. Les scientifiques ont attribué cela à sa grande surface et à sa nature amorphe. Les dispositifs mésoporeux fonctionnaient rapidement pour servir d'écrans réfléchissants électrochimiques et pour stocker la charge électrique. Cette configuration peut également alimenter d'autres appareils électroniques, car l'intensité de la couleur du motif sur l'appareil indiquait le niveau d'énergie stockée à l'intérieur. Les résultats auront un potentiel énorme pour former l'électronique intelligente de prochaine génération.