电致变色玻璃可通过改变明暗程度达到不同的热能吸收和反射效果

01电致变色玻璃技术介绍

（1）电致变色的原理

电控变色技术的原理是使用电能来改变夹在两层玻璃之间的导电介质（例如薄膜或凝胶薄层等）的颜色。电流流过外部玻璃内侧的透明导电图层，引起电控变色介质发生化学反应，从而引起介质的透明度发生变化。

着色状态：变色是由材料中的离子和电子被注入和抽出产生的。当玻璃的导电层加上正相直流电压时，离子储存层内的离子被抽出，通过离子导体层，进入电致变色层，实现电致变色层颜色的改变，使系统由原来的初始透明状态变为着色状态。

透明状态：当玻璃的导电层被加上反相直流电压时，电致变色层的离子被抽出，通过离子导体层，又回到离子储存层内，使系统由着色状态恢复到原来的初始透明状态。

电致变色的原理示意图

（2）制约电致变色玻璃推广的难点

目前，这一技术市场空间并未得到明显地开发，制约现有电致变色玻璃技术推广的主要难点如下：

• 成本较高：目前最常用的导电材料是氧化铟锡(ITO)导电玻璃，导致成本居高不下；
• 稳定性：电致变色材料可分为无机材料，有机小分子以及有机高分子三种类型，用有机材料的会存在UV降解的问题;用无机材料的话，变色时间比较长。此外，目前电致变色器件(ECD)在高温或低温下循环寿命都不好；
• 工艺：电解质部分较成熟的是液体电解质，但对于灌液、封装都有比较苛刻的要求，而目前在凝胶电解质和固体电解质上的研究仍需进一步完善。

02电致变色玻璃新技术——可逆金属电沉积（RME）工艺

科罗拉多大学博尔德分校（the University of Colorado Boulder）的研究人员开发了一种改进的方法，用于控制玻璃上的智能着色，使其比市场上现有的方式更便宜、更有效、更耐用。由工程与应用科学学院的Mike McGehee教授领导的这项研究已经在今年5月发表在Joul期刊，该研究使用了与当前行业标准不同的可逆金属电沉积（RME）工艺。

 

Tinting allows for more natural light through home windows while still maintaining privacy and has positive implications for energy reduction . Credit: Michael McGehee

尽管电致变色“智能”玻璃使用户对用户非常具有吸引力，但是由于它们无法以低成本的方式在宽的光学动态范围内同时实现快速的、色彩中性的着色，因此它们尚未实现广泛的商业化。

可逆金属电沉积是解决现有技术缺点的有前途的替代方法。他说：“我们正在做的是建造一个电化学电池。我们有一个透明电极和一个带有金属离子的电极。通过切换电压，薄板金属会阻挡光线。” “这种技术根本不同于其他达到同样效果的方法。”

在这里，研究小组研究了几种pH值不同且支持阴离子不同的RME电解质。研究发现酸性高氯酸盐电解质可实现完全可逆的金属电沉积，而不会损害基材或引起不可逆的副反应，这在所有其他电解质组合物中均未见到。这种高氯酸盐电解质显示出有前景的长期耐用性，试验证明了其可以实现10,000次稳定循环，而没有电极腐蚀（electrode etching）的迹象。

 

The paper explains in detail how metal can be electroplated onto a transparent electrode to block light and then stripped to make the window transparent again by manipulating the voltage. It specifically explores how various electrolytes can be used with different supporting anions to achieve the desired results.

电极腐蚀（electrode etching）的现象是市场上其他变色智能玻璃的一大缺点。该小组已经使用此过程制作了一个1平方英尺的玻璃。他们目前正在运行稳定性和其他测试，初步结果表明该产品具有长期的耐用性，而没有电极腐蚀的迹象。

此外，研究小组构建15×15cm2个智能玻璃，通过快速的颜色切换检验着色性能。结果显示，与其他技术相比，这种新工艺最终可以使玻璃具有更理想的中性色，并且可以将透明度从80％降低到0％或完全透明。而市场上的许多玻璃最多只能提供70％的着色。这种转换也可以很快完成，不到3分钟的时间就能产生60％的对比度。

与现有技术相比，最终产品的制造成本也可能更低。McGehee表示，潜在的成本节省难以估量，但是使用这种技术生产玻璃不需要大型专用工具，并且具有很高的生产率，这意味着可以快速制造玻璃。

03电致变色技术发展历史

• 早在20世纪30年代就有关于电致变色的初步报道。
• 20世纪60年代，Plant在研究有机染料时发现有电致变色的现象，并进行了研究。

• 1969年，S.K.Deb首次使用无定形WO3薄膜制备了电致变色器件，并提出了“氧空位色心”机理。
• 20世纪70年代，出现了大量有关电致变色机理和无机电致变色材料的报道。

• 80年代末以来，新型有机电致变色材料合成和电致变色器件的制备研究领域日益活跃。这期间，美国科学家C.M.Lampert和瑞典科学家 C.G.Granqvist等人提出了以电致变色膜为基础的一种新型节能窗，即智能调光窗(Smart window)，成为电致变色研究的另一个里程碑。
• 1999年，德国德累斯顿Stadt Sparkasse储蓄银行新大楼拥有欧洲第一面用电致变色玻璃制成的可控制外墙。

• 2005年1月，法拉利Superamerica敞篷跑车的挡风玻璃和顶棚玻璃采用了电致变色技术。

法拉利Superamerica敞篷跑车电致变色挡风玻璃和顶棚玻璃

• 2008年7月，波音787客机客舱窗玻璃淘汰了机械式舷窗遮阳板采用了电致变色技术。787采用了PPG公司生产的交互式舷窗系统，其电控变色技术来自Gentex公司的专利，这种技术最早应用在汽车（法拉利）上。Gentex的电控变色技术使用凝胶作为介质。在凝胶上施加很小的电压就可以使其变暗，断电后就会让凝胶恢复自然的透明状态。电压可以被精确地控制，通过调整小幅增加或降低电压，就可以获得所需要的透光度。发生意外断电时，舷窗会变成完全透明，符合相关的航空标准。

波音787采用电致变色玻璃材料的可调舷窗

• 2015年Nextint公司针对电致变色玻璃价格高、推广受到限制的特点，提供一种低成本的替代方案：在普通玻璃外加多一层电致变色薄膜，这样用户在进行改造的时候无需替换之前的玻璃，更重要的是，他们的替代方案成本仅为25美元/平方英尺，仅为原有产品的1/7。据推测Nextint的核心技术可能在导电材料和电解质的创新上。

04展望

玻璃行业本身是一个千亿美元级别的巨大市场，在一些得到小规模应用的细分市场如汽车天窗等也有数十亿美元的市场容量。在这一领域主要厂商包括SAGE和View两大行业巨头。2015年NexTint通过技术创新，改变产品形态，引起行业广泛关注。

科罗拉多大学开发的新技术使其比市场上现有的方式更便宜、更有效、更耐用，汽车制造商对该新型技术非常感兴趣，除此之外，McGehee推测，其他应用领域可能包括自行车眼镜或滑雪镜等。

来源：互联网，由中国汽车材料网整理编辑。原创文章未经许可不得转载！