用于切换氧化还原活性电池的方法和装置与流程

电致变色电池包含电致变色材料，其在离子和电子插入其中时在由施加电压造成的电场影响下改变其光学性质。特别地，电致变色材料可在着色状态和脱色状态之间切换。

例如，将电致变色电池用作可切换玻璃或窗户以防止安装有该玻璃的房间或区域因日光而升温。特别地，整个建筑的能量管理可受包含电致变色电池的窗户的影响。

为了在窗户中使用电致变色电池，将电致变色材料作为层压层包埋于窗户的层压玻璃中。因此，对材料寿命的要求极为严格。优选地，希望寿命可与常规窗户相当。

然而，电致变色电池的寿命取决于所施加电压的量级以及插入电致变色电池的电致变色层中的电荷量。可在电极层之间施加以用于切换而不导致器件降解的电压范围通常称为氧化还原稳定性范围。氧化还原稳定性范围定义为正负氧化还原电压极限之间的范围。

因此，必须考虑电压和电荷极限。由此，电压和电荷极限必须通过试验确定。氧化还原稳定性范围可例如通过循环伏安实验在各种温度下测定。

因此，此后可限制施加的电压，由此确保电极层之间的最大电压不超过该特定体系的氧化还原稳定性范围的极限。然而，简单限制电压的结果是导致切换方法的不同状态中的极低电流，这会显著降低切换速度。

此外，利用高电流切换允许较高的切换速度或较短的切换时间，但导致较高的电致变色材料的着色或脱色的不均匀性。不均匀性的原因在于，电池电极层之间的电压分布固有地依赖于电极层的电阻和电池电流。

高电流导致了较大的跨电极层内部电压降，这导致了较不均匀的电压分布。

因此，本发明的目的是寻找一种切换电致变色电池的方法，其中必须确保电极层之间的电位总是处于安全的氧化还原极限之间。此外，本发明的目的是限制电池电流以优化切换速度和透射均匀性。

本发明解决了上文所述的现有技术的问题。

因此，本发明包括一种用于切换电致变色电池的方法和装置。所述电致变色电池至少包括第一电极层和第二电极层，其各自能够可逆地插入离子。此外，所述电池包括将第一电极层与第二电极层隔开的离子导电层。

此外，包括用于测量电致变色电池之中或之上或其附近的温度的温度传感器。

此外，第一接触部件与第一电极层以电子方式连接且第二接触部件与第二电极层以电子方式连接。第一和第二电极层为彼此的对电极。

此外，至少所述第一电极层包含有机聚合物基质，且电致变色材料、电子导电纳米物和溶解于溶剂中的电解质分散在所述有机聚合物基质中。

为了切换电致变色电池，本发明包括在将电压施加至电极层时测量流经电池的电流iC的步骤。因此，将电压UC施加至接触部件且作为电流的函数而变化。电压UC优选由控制器进行设定。由此使电极层之间产生的电压保持在预定的温度依赖性安全氧化还原极限UEC内且使得电池电流保持在预定的温度依赖性极限内。

特别地，所施加的电压UC仅在电池电流iC小于最大电池电流时增加，最大电池电流根据以下确定：

I最大＝j最大×面积+(T-T0)×F。

在以上方程中，j最大为预定的最大电流密度，面积为有效电池面积，T为用温度传感器测得的电致变色电池的温度，T0为参考温度。然而，因子F允许根据温度改变电流。由此，因子F允许相对于温度改变切换速度。

由于两个电极触点位于电池的相对侧上而不可能直接测量电极层之间的电压，因此只能直接测量所施加的接触电压UC并估计电极层之间的电压。

然而，电极层之间的电压依赖于距两个电极触点的距离而在电池区域内变化显著。特别地，电极层之间的最大电位差总是出现在毗邻电极触点的电池边缘处。因此，没有必要知晓电池在给定的一组条件下的完整电压分布。

已发现，所施加的接触电压与电极层之间所产生的最大电压之间的关系可由涉及电池电流和电池恒定电阻的简单方程式描述，其中电阻仅依赖于电池宽度和高度以及电极层的材料性质。

然后，可由w和h(电池宽度和高度，以厘米计)计算电阻。高度对应于所接触的电池边缘的长度。此外，必须考虑因子k，其代表电致变色器件中的电极层所用材料的常数。因此，电阻如下计算：

REff＝(w/h)×k

此外，在毗邻电极触点的电池边缘处存在的电极层之间所产生的最大电压Uf,最大可使用下式计算：

Uf,最大＝UC-iCREff

其中UC为施加至电池触点的电位，iC为电池电流且REff为电池的有效电阻。此外，安全氧化还原极限UEC针对给定切换方法由电化学研究事先确定。因此，所施加的接触电压可使用以下计算适当限制：

UC,最大＝UEC+iCREff

如果在电池触点处施加的电压UC保持低于最大极限UC,最大，则其间接确保了电极层之间的最大电压Uf,最大不超过其相应的安全氧化还原极限UEC。

因此，已发现如果所施加的电压UC仅在电池电流iC小于根据以下确定的最大电池电流时增加：

i最大＝j最大×面积+(T-T0)×F

则电极层之间的最大电压UC,最大不超过温度依赖性的安全电化学极限UEC，其中施加总是尽可能高的电压UC以确保最大可能的切换速度。

已注意到，本发明描述了电池的切换，其包括电致变色电池的着色和脱色情况。因此，所施加的电压UC和流经电池的电流iC以及其他值可在着色期间识别为正值且在脱色期间为负值或反之亦然，这取决于测量所用器件的极性。

因此，为了在本发明的描述中避免混淆，诸如电压UC和电流iC的值仅视为正值。这些值代表不同切换情况中的一种。

因此，由安全氧化还原极限(即，正和负安全氧化还原极限)表征的安全氧化还原范围将针对安全氧化还原极限的最大值(即，正安全氧化还原极限)来考虑。

根据本发明的第一实施方案，流经电池的电流以非连续方式测量。然而，利用电致变色电池切换窗户将花费几分钟的时间。因此，电流在较短间隔内(如毫秒)不会显著变化。因此，以非连续方式(即以时间间隔)测量电流可容易地通过具有慢时钟频率的较廉价控制器或微控制器来处理，而无超过安全氧化还原极限的风险。

根据另一实施方案，如果电池电流小于最大电池电流且电极层之间所产生的电压处于预定的温度依赖性安全氧化还原极限内，则所施加电压以线性方式增加。

因此，不存在电压的逐步变化。然而，电压的逐步变化将导致电流峰值，这是因为已发现该特定电致变色电池像电容器一样用于快速切换。因此，电压的逐步变化可导致高电流峰值，这可显著降低电池的寿命。然而，电压以线性方式增加将降低高电流峰值的风险。

根据另一实施方案，随时间变化测量流经电池的电流以用于计算插入电极层中的电荷。因此，可容易地计算插入电致变色电池中的电荷量以在电池以预定方式切换或达到预定阶段的情况下切换电压。

例如，如果电池完全不着色或脱色，则可将所需阶段的电荷量的值储存在储存器中。如果达到该值，则可切断电压。

此外，为了完全切换电池(即，处于完全着色或脱色阶段)，可在恰当的时间切断电压以确保电池不会过度充电。因此，可防止将导致循环时间降低的风险的电池的过度充电。

根据另一实施方案，所施加的电压取决于控制器的进一步输入而增加或降低，其中控制器优选具有回路控制器或PID控制器。因此，控制器的输出给出了电压值。另一方面，控制器具有输入以测量接触部件处的电压并增加或降低输出，以便将基本精确的电压施加至触点。由此，消除了电压超过安全氧化还原极限的风险。

根据另一实施方案，测定电池的泄漏电流。泄漏电流定义为由于电子由电解质层的不完美电绝缘行为而在电极之间流动所致的电流。泄漏电流优选在完全着色或完全脱色状态下通过施加小于着色/脱色所用电压的恒定DC电压来测量。随时间测量所得电流且电流收敛的值为泄漏电流的估计值。为了进行测定，必须使用泄漏电流来正确计算插入电致变色层中的电荷。仅仅测量该电流会导致过高估计插入的电荷，这是因为测得的电流是由离子运动所致的电流与泄漏电流的总和。

此外，本发明包括一种用于切换电致变色电池的装置。所述装置至少包括第一和第二电极层，其各自能够可逆地插入离子。所述层由离子导电层隔开。此外，所述装置包括用于测量电致变色电池之中或之上或其附近的温度的温度传感器。

此外，所述装置包括与第一电极层以电子方式连接的第一接触部件及与第二电极层以电子方式连接的第二接触部件。第一和第二电极层为彼此的对电极。

此外，至少所述第一电极层包含有机聚合物基质和分散在所述有机聚合物基质内的电致变色材料、电子导电纳米物和溶于溶剂中的电解质。

此外，所述装置包括用于将电压施加至接触部件的构件和连接至该用于施加电压的构件的控制器。此外，所述装置包括安培计，其经调适以测量电池电流并将电池电流的测量值发送至控制器。控制器经调适以基于温度、电致变色电压极限和电池电流值计算待施加至电池接触部件的电压的量级。

此外，控制器经调适以作为电流的函数增加所施加电压，以使得电极层之间所产生的电压保持在预定的温度依赖性安全氧化还原极限内且使得电池电流保持在预定的温度依赖性极限之间。

控制器经调适以仅在电池电流小于最大电池电流时增加所施加的电压，所述最大电池电流根据已就本发明方法所述的方程式确定，即：

i最大＝j最大×面积+(T-T0)×F。

根据所述装置的实施方案，安培计经调适，从而以非连续方式测量流经电池的电流。此外，根据另一实施方案，控制器经调适以在电池电流小于最大电池电流且电极层之间所产生的电压保持在预定的温度依赖性安全氧化还原极限内时以线性方式增加所施加的电压。

根据所述装置的另一实施方案，安培计经调适以随时间测量流经电池的电流以用于计算插入电极层中的电荷。根据另一实施方案，所述装置包括回路控制器或PID控制器，其经调适以依赖于接触部件处测得的电压而增加或降低所施加的电压。此外，根据另一实施方案，控制器经调适以测定电池的泄漏电流。

根据所述装置的实施方案，电致变色材料以纳米物，优选纳米颗粒的形式存在。

提供呈纳米物，优选纳米颗粒形式的电致变色材料允许电致变色材料在电极层的有机聚合物基质内均匀分布和牢固固定。此外，呈纳米物，优选纳米颗粒形式的电致变色材料易于与电子导电纳米物，优选纳米线形成的电子导电网络相互作用，由此允许在整个电极层中与电致变色材料的均匀电子接触，且由于电致变色层的纳米物的小尺寸，电子不需要在显示出低电子电导率的区域中行进很大的距离。

根据所述装置的优选实施方案，电子导电纳米物为纳米线，优选为银纳米线。

电子导电纳米线能够通过以低浓度形成互连网络而赋予电极层以适当的电子电导率。由于纳米线的直径为纳米级(小于50nm，优选为20-35nm)，因此纳米线是不可见的或基本不可见的，并且不会影响器件的任何视觉外观。

根据另一实施方案，所述第一电极层设置在第一光学透明电子导电层上，且所述第一接触部件接触所述第一光学透明电子导电层。此外，所述第二电极层设置在第二光学透明电子导电层上，且所述第二接触部件接触所述第二光学透明电子导电层。此外，所述第一光学透明电子导电层设置在第一电绝缘光学透明基材上且所述第二光学透明电子导电层设置在第二电绝缘光学透明基材上。此外，所述第一电绝缘光学透明基材和/或第二电绝缘光学透明基材为玻璃或有机聚合物。

将电极层设置在电子导电的光学透明层上能够使电流在电极的整个面积上均匀分布，由此确保电极层中的电致变色材料均匀且快速地变色。

根据另一实施方案，所述第一电极层设置在第一电绝缘光学透明基材上，且所述第一接触部件接触所述第一电极层的边缘。此外，所述第一电绝缘光学透明基材为玻璃或有机聚合物。此外，所述第二电极层设置在光学透明电子导电层上，且所述第二接触部件接触所述光学透明电子导电层。最后，所述光学透明电子导电层设置在第二电绝缘光学透明基材上且所述第二电绝缘光学透明基材为玻璃或有机聚合物。

在另一实施方案中，所述第一电极层设置在电绝缘光学透明基材上，且所述第一接触部件接触所述第一电极层的边缘。此外，所述第一电绝缘光学透明基材为玻璃或有机聚合物。所述第二电极层包含有机聚合物基质和分散在所述有机聚合物基质内的电致变色材料、电子导电纳米物和溶于溶剂中的电解质。

此外，所述第二电极层设置在电绝缘光学透明基材上，且所述第二接触部件接触所述第二电极层的边缘。最后，所述第二电绝缘光学透明基材为玻璃或有机聚合物。

如果第一电极层或两个电极层的面内电子电导率足够高，则不需要提供光学透明电子导电层以用于接触所述电极层，且所述电极层可直接设置在电绝缘光学透明基材上。如此降低了器件的复杂性，有助于其制造并降低成本。电极层的合适高面内电导率可通过将电子导电纳米线引入电极层中实现。

此外，本发明包括一种用于切换至少一个电致变色电池的系统，其包括主单元和至少一个根据前述装置实施方案中任一项的包括电致变色电池和控制器的装置。

主单元耦合至所述至少一个装置且经调适以将触发信号提供至所述至少一个装置的控制器，其中所述至少一个装置的控制器经调适以响应于触发信号而切换所述至少一个装置的电致变色电池。

因此，所述系统可集成至建筑中，其中主控制器可依赖于照射在建筑上的阳光而产生触发。然后，所述装置的控制器切换电池并考虑各参数以确保快速切换，同时考虑安全氧化还原极限。

根据所述系统的另一实施方案，所述至少一个装置的控制器经调适以储存所述至少一个装置的至少一个测量参数。因此，主单元可加载所储存的参数(即，用温度传感器测量的温度)，以使用该参数来决定是否发送触发。

根据所述系统的另一实施方案，所述至少一个装置的控制器与所述主单元双向通信。控制器与主单元之间的双向通信确保了主单元一方面可监测参数及控制器的阶段，另一方面——除所述的触发以外——发送其他指令来控制着色或脱色，即着色或脱色阶段。

根据所述系统的另一实施方案，主单元经调适以监测所述至少一个装置的储存参数且依赖于所监测的参数来产生触发。因此，不需要连接至主单元的额外传感器，这是因为主单元可使用装置的集成温度传感器来决定是否需要产生触发。

本发明的其他特征和优点由优选实施方案的下文描述得知，其中参考以下附图：

图1显示了电致变色电池的实施方案；

图2装置的实施方案，和

图3系统的实施方案。

图1显示了电致变色电池100，其包括第一接触部件101和第二接触部件102。两个导电层103、104分别与第一接触部件101和第二接触部件102连接。这些导电层103、104中的至少一个是透明的。此外，显示了由离子导电层110隔开的第一电极层106和第二电极层108。

电极层106，108包含电致变色材料和电子导电纳米线112。这些纳米线形成遍及各电极层106，108的互连网状物并接触导电层103、104。因此，这些线赋予相应电极层的有机聚合物基质以电子电导性并改进电极的性能效率。至少第一电极层106包含溶于溶剂中的电解质114。

由于纳米线细，因此这些仍是光学透明的。此外，电极106中的电致变色颗粒可为大颗粒或纳米颗粒且可具有任意形状。这些颗粒可为棒状、球形、碟状、立方体等。两个电极层106，108并非必需使用导电纳米线112，作为实例，如果电解质对于显示用途而言是不透明的，且当透过第一导电层103观看时所有视觉变化来自层106，则此时可使用可具有足够电子电导率的碳基对电极作为层108。

优选地，第一支撑层连接至第一基材的背对第一电极层的表面，且第二支撑层连接至第二基材的背对第二电极层的表面。就此而言，特别优选第一和第二基材包含选自有机聚合物的材料且呈箔、膜、网的形式，且第一和第二支撑层包含玻璃。

而且，优选第三支撑层连接至第一支撑层的背对第一基材的表面和/或第四支撑层连接至第二支撑层的背对第二基材的表面。就此而言，特别优选第三支撑层连接至第一支撑层的背对第一基材的表面且第四支撑层连接至第二支撑层的背对第二基材的表面。就此而言，特别优选第一、第二、第三和第四支撑层包含玻璃。

图2显示了具有电致变色电池100的装置200的简化方框图。控制器202控制电压源204以将电压UC供应至电致变色电池100的接触部件206、208。与此并行地，控制器利用安培计210测量电流iC且利用控制器202的输入212、214测量施加至触点206、208的电压。

控制器202具有存储器且利用电池的有效电阻REff和最大氧化还原安全电压UEC的值来预程序化。由此，控制器202如下计算最大电压UC,最大：

UC,最大＝UEC+iCREff

该电压UC,最大为控制器202控制电压源204以施加至触点206、208的最大值。此外，最大电池电流i最大如下计算：

i最大＝j最大×面积+(T-T0)×F

此外，控制器202用电池面积(特别地100cm×50cm)和因子F(在实例中F为1)对期望的切换速度进行预程序化。此外，j最大以着色的最大电荷密度除以电池100的由脱色至着色状态的完全切换的期望时间计算。

此外，当开始切换方法时，用温度传感器216测量电池的温度T，并将启动电压(例如UC,最大的5％)施加至触点206、208。此外，从该启动电压开始，如果测得的电池电流iC小于最大电池电流i最大，则增加所施加的电压UC。

此外，控制器随时间监测电流iC并计算电池100的电荷。如果达到期望的电荷量且因此电池100具有期望的着色阶段，则切断电压UC。

图3显示了具有四个装置200的系统300。系统300包括主单元302，其通过数据链路304、306、308、310连接至装置200的控制器202(参见图2)。主单元302优选以数秒或数分钟的间隔请求装置200的各温度传感器216的温度T。

在任何装置200传送高于第一预定值的温度值(例如35℃)的情况下，主单元302将触发发送至传送该高于预定值的温度值的各装置200的控制器202。优选地，主单元302将一个或多个其他触发发送至一个或多个与传送该高于预定值的温度值的装置200相关联的装置200的控制器202。然后，根据本发明方法的实施方案，各触发导致相应装置200的控制器202切换相应装置200的电池100。

附图标记列表

100 电致变色电池/电池

101 第一接触部件

102 第二接触部件

103 第一透明层

104 第二透明层

106 第一电极层

108 第二电极层

110 离子导电层

112 电子导电纳米线

114 电解质

200 装置

202 控制器

204 电压源

206，208 电致变色电池的接触部件

210 安培计

212，214 输入

216 温度传感器

300 系统

302 主单元

304，306，308，310 数据链路

iC 电池电流

i最大 最大电池电流

F 因子

REff 电池

T 温度

UC 电压

j最大 预定的最大电流密度

面积 活性电池面积

T0 参考温度

UC,最大 最大电压

UEC 最大氧化还原安全电压