DISPOSITIVO ELECTROCRÓMICO CON ELECTRODOS DESCOMPENSADOS EN CARGA REDOX.

Dispositivo electrocrómico con electrodos descompensados en carga redox.

El objeto de la invención es un dispositivo electrocrómico en cuya configuración los dos electrodos (2-4) tienen carga redox descompensada, y al menos uno de ellos es electrocrómico. El electrodo con más carga redox no cambia su estado de oxidación al hacer funcionar el dispositivo, y actúa de manera equivalente a una capa de almacenamiento de iones. El electrodo con menos carga redox completa su estado de oxidación con el menor potencial aplicado posible, y si el segundo electrodo es transparente en el rango de longitudes de onda en el que el primero es electrocrómico, esta configuración permite extraer el máximo contraste posible para los materiales utilizados.

La configuración presentada permite hacer funcionar el dispositivo electrocrómico con el mínimo potencial aplicado posible y permitiendo el máximo rendimiento en las propiedades ópticas, reduciendo el consumo energético del dispositivo.

Dispositivo electrocrómico con electrodos descompensados en carga redox.

Objeto de la invención La presente invención se refiere a un dispositivo electrocrómico en cuya configuración los dos electrodos tienen carga redox descompensada, y al menos uno de ellos es electrocrómico. El electrodo con más carga redox no cambia su estado de oxidación al hacer funcionar el dispositivo, y actúa de manera equivalente a una capa de almacenamiento de iones. El electrodo con menos carga redox completa su estado de oxidación con el menor potencial aplicado posible, y si el segundo electrodo es transparente en el rango de longitudes de onda en el que el primero es electrocrómico, esta configuración permite extraer el máximo contraste posible para los materiales utilizados.

La configuración presentada permite hacer funcionar el dispositivo electrocrómico con el mínimo potencial aplicado posible y permitiendo el máximo rendimiento en las propiedades ópticas, reduciendo el consumo energético del dispositivo.

La invención se sitúa pues en el ámbito de la tecnología de dispositivos electrocrómicos, dispositivos electroquímicos capaces de modular sus propiedades ópticas de absorción, transmisión o reflexión, por medio de la aplicación de un voltaje eléctrico, lo que permite diseñar aplicaciones como dispositivos de transmisión variable o generación de imágenes, tanto estáticas como dinámicas, cuando las propiedades ópticas varían en el rango visible, o filtros y atenuadores ópticos, entre otros usos, cuando el rango se encuentra fuera del visible.

Antecedentes de la invención Un dispositivo electrocrómico es una celda electroquímica, compuesta de dos materiales conductores electrónicos (electrodos) que sufren procesos de oxidación o reducción (procesos redox) y un medio conductor iónico entre ellos. Para que cualquier proceso de oxidación o reducción se produzca en uno de los electrodos debe ser compensado con la reacción complementaria en el otro electrodo. De esta manera, para que un dispositivo en el cuál uno de los electrodos es electrocrómico funcione, es necesario contar con un segundo material que pueda sufrir las reacciones complementarias necesarias en cada momento. Cuando uno de los materiales se oxida, el otro debe reducirse, y viceversa.

Para conseguir este efecto, son posibles distintas configuraciones; probablemente la más generalizada consiste en la utilización simultánea de dos materiales con propiedades ópticas complementarias, habitualmente denotada configuración dual, tal y como se describe en las patentes WO03046106 y US2003174377. En este sentido, los dos materiales presentan semejantes cambios de color, pero ante reacciones redox opuestas. De esta manera cuando cada uno de ellos es utilizado como uno de los electrodos de un dispositivo, su respuesta óptica se suma. Los beneficios esperados de esta configuración son fundamentalmente dos: estabilidad en el dispositivo pues los procesos redox están compensados, y aumento de contraste óptico en el dispositivo al sumar la respuesta de ambos materiales simultáneamente. El contraste óptico se define como la diferencia de transmitancia entre dos estados de color, expresada habitualmente en tanto por ciento.

Para conseguir optimizar estos dispositivos y obtener el máximo contraste posible, hay que tener en cuenta que películas de un mismo material pueden presentar diferentes niveles de contraste dependiendo de su espesor, su carga redox (definida como la carga necesaria para completar el cambio de color) , las condiciones de síntesis, etc. Se han desarrollado métodos para obtener y cuantificar el máximo contraste de un material individualmente, como por ejemplo en las siguientes publicaciones:

- J. Y. Lim, H.C. Ko, and H. Lee, “Systematic prediction of maximum electrochromic contrast of an electrochromic material” Synth. Met. 155 (3) , 595 (2005) .

- J. Padilla, V. Seshadri, G.A. Sotzing, and T. F. Otero, “Maximum contrast from an electrochromic material” Electrochem. Commun. 9, 1931 (2007) .

Cuando éste método se amplia a sistemas duales, de entre todas las combinaciones posibles para dos materiales dados se desprende que ninguna de ellas puede superar el valor de máximo contraste obtenido previamente para uno de los materiales individualmente, tal y como se puede observar en las siguientes publicaciones:

- J. Padilla, “A theoretical investigation on the contrast limitations of dual electrochromic systems” Thin Solid Films 517 (18) , 5580 (2009) .

- J. Padilla and T. F. Otero, “Contrast limitations of dual electrochromic systems” Electrochem. Commun. 10 (1) , 1 (2008) .

Ante esta limitación óptica de los sistemas duales, la alternativa consiste en mantener la capacidad redox del material complementario, para que el dispositivo pueda seguir funcionando correctamente, pero eliminar su contribución óptica. Con esta idea, se han fabricado distintos dispositivos que usan materiales transparentes como contraelectrodos, como los mostrados en los siguientes documentos:

- S. V. Vasilyeva, et al., “Color Purity in Polymer Electrochromic Window Devices on Indium-Tin Oxide and Single-Walled Carbon Nanotube Electrodes” ACS App. Mater. Inter. 1 (10) , 2288 (2009) .

- G. A. Sotzing and [Anón], Patent No. US2004010115-A1; US7071289-B2.

- I. Schwendeman, et al., “Enhanced contrast dual polymer electrochromic devices”, Chem. Mater. 14 (7) , 3118 (2002) .

Estos dispositivos usan materiales transparentes como electrodos siempre bajo la premisa de que los dos materiales presenten carga redox compensada. Hay que destacar que la síntesis de estos materiales requiere de un esfuerzo de investigación considerable.

Los procesos de oxidación y reducción de los materiales electrocrómicos se producen a lo largo de una ventana de potencial. Normalmente los procesos de oxidación y reducción se completan con una diferencia de potencial del orden de 1-2 V, diferencia de potencial necesaria por tanto para ciclar un material electrocrómico. Para cada material esta ventana se sitúa en diferentes valores respectos a una escala de potencial fijada por un electrodo de referencia. Para completar los procesos de oxidación y reducción de los dos materiales que componen un dispositivo electrocrómico (o cualquier otro dispositivo electroquímico) es necesario alcanzar los distintos estados de oxidación de cada material, lo que conlleva que la diferencia de potencial aplicada para hacer funcionar el dispositivo aumente hasta el orden de 2 a 5 V. Este aumento se traduce en un mayor consumo energético que convendría reducir para hacer más competitiva esta tecnología.

Por tanto hay dos problemas técnicos a los cuáles la presente invención propone solución:

1. Obtención del máximo contraste posible para un dispositivo electrocrómico que contiene dos materiales dados.

2. Funcionamiento del dispositivo con la menor diferencia de potencial posible manteniendo el máximo contraste.

Descripción de la invención El dispositivo que la invención propone resuelve de forma plenamente satisfactoria la problemática anteriormente expuesta.

Para ello, y de forma más concreta, el dispositivo de la invención prevé que los dos electrodos tengan una carga redox descompensada, siendo al menos uno de ellos electrocrómico.

El electrodo con más carga redox no cambia su estado de oxidación al hacer funcionar el dispositivo, y actúa de manera equivalente a una capa de almacenamiento de iones. El electrodo con menos carga redox completa su estado de oxidación con el menor potencial aplicado posible, y si el segundo electrodo es transparente en el rango de longitudes de onda en el que el primero es electrocrómico, esta configuración permite extraer el máximo contraste posible para los materiales utilizados.

La configuración presentada permite hacer funcionar el dispositivo electrocrómico con el mínimo potencial aplicado posible y permitiendo el máximo rendimiento en las propiedades ópticas, reduciendo el consumo energético del dispositivo.

De forma más concreta, el dispositivo está compuesto por un primer material electrocrómico (electrodo de trabajo ó WE) , un segundo material que puede ser electrocrómico o no y que es susceptible de ser oxidado o reducido (contraelectrodo ó CE) , un medio conductor iónico entre ellos y en contacto con los dos materiales, y dos substratos sobre los que se depositan el primer y segundo material, respectivamente. Al menos uno de estos substratos es transparente, para...

1. Dispositivo electrocrómico, que estando especialmente concebido para variar su espectro de absorción, y con él su color en longitudes de onda fuera o dentro del rango visible, en función de un potencial eléctrico aplicado a sus electrodos, se caracteriza por que está compuesto por un apilamiento de varias capas: un primer substrato conductor electrónico (1) que es transparente, electrodo de trabajo (2) que es un material electrocrómico, un medio conductor iónico (3) , un contraelectrodo (4) que puede ser un material electrocrómico u otro tipo de material y un segundo substrato conductor electrónico (5) que puede ser transparente o no, con la particularidad de que la carga redox del contraelectrodo y del electrodo de trabajo están fuertemente descompensadas tal que durante el funcionamiento del dispositivo el contraelectrodo (4) mantiene su estado de oxidación y su espectro óptico, siendo la carga redox del contraelectrodo (4) mayor que la del electrodo de trabajo (2) y funcionando el contraelectrodo (4) como una capa óptica pasiva.

2. Dispositivo electrocrómico, según reivindicación 1ª, caracterizado por que el medio conductor iónico (3) es de tipo líquido, incluyendo disoluciones que están formadas por disolventes orgánicos o inorgánicos con una sal disuelta.

3. Dispositivo electrocrómico, según reivindicación 1ª, caracterizado por que el medio conductor iónico (3) es de tipo gel, incluyendo diferentes disoluciones que están formadas por disolventes de tipo polimérico con una sal disuelta.

4. Dispositivo electrocrómico, según reivindicación 2ª, caracterizado por que los disolventes orgánicos se materializan en acetonitrilo o carbonato de propileno, y los inorgánicos en agua.

5. Dispositivo electrocrómico, según reivindicación 3ª, caracterizado por que los disolventes de tipo polimérico se materializan en óxido de polietileno, polimetilmetacrilato, polietilenglicol etileter metacrilato, o polietilenglicol diacrilato.

6. Dispositivo electrocrómico, según reivindicación 3ª, caracterizado por que los disolventes de tipo polimérico contienen un fotoiniciador del tipo 2, 2-dimetoxi-2-fenil-acetofenona.

7. Dispositivo electrocrómico, según reivindicación 3ª, caracterizado por que los disolventes de tipo polimérico contienen cuentas de vidrio de diámetr.

5. 100 micras, en funciones de elementos separadores de los dos electrodos (el electrodo de trabajo (2) y el contraelectrodo (4) ) así como elemento preventivo contra cortocircuitos.

8. Dispositivo electrocrómico, según reivindicaciones 2ª y 3ª, caracterizado por que la sal disuelta se materializa en cloruro sódico, cloruro potásico, cloruro de litio, perclorato de sodio, perclorato de litio, tetrafluoroborato de sodio, tetrafluoroborato de litio, hexafluorofosfato de sodio, hexafluorofosfato de litio o trifluorometanosulfonato de litio.

9. Dispositivo electrocrómico según reivindicación 1ª, caracterizado por que el primer substrato conductor electrónico (1) y el segundo substrato conductor electrónico (5) son de vidrio o de polietilentereftalato (PET) , sobre el cuál se ha depositado una capa de material conductor electrónico del tipo oxido de indio y estaño (ITO) , óxido de zinc, óxido de flúor y estaño (FTO) ó PEDOT-PSS.

10. Dispositivo electrocrómico según reivindicación 1ª, caracterizado por que el electrodo de trabajo (2) es obtenido a partir de la polimerización de monómeros de la familia de los pirroles, tiofenos y polianilinas sobre el primer substrato conductor electrónico (1) , que es transparente.

11. Dispositivo electrocrómico según reivindicación 10ª, caracterizado por que el electrodo de trabajo (2) , que es una capa de material electrocrómico, está depositado por spincoating sobre el substrato conductor electrónico (1) , que es transparente.

12. Dispositivo electrocrómico según reivindicación 1ª, caracterizado por que el contraelectrodo (4) , que es una capa de material que puede ser electrocrómico o de otro tipo de material, está depositado por electropolimerización sobre el segundo substrato conductor electrónico (5) , que puede ser transparente o de otro tipo.

13. Dispositivo electrocrómico según reivindicación 1ª, caracterizado por que la capa de material del contraelectrodo (4) , que puede ser de material electrocrómico o de otro tipo de material, está depositada por spincoating sobre el segundo substrato conductor electrónico (5) , que puede ser transparente o de otro tipo.

14. Dispositivo electrocrómico según reivindicación 1ª, caracterizado por que el medio conductor iónico (3) es una disolución formada por disolventes de tipo polimérico y el electrodo de trabajo (2) y el contraelectrodo (4) se unen por fotocurado del medio de conductor iónico (3) .