Proceso y aparato para conmutar dispositivos electrocrómicos de gran área.

Un proceso para conmutar una celda electrocrómica que comprende al menos los siguientes componentes:

una primera capa de electrodo (2) provista con un primer contacto (A) de celda eléctrico y una segunda capa deelectrodo (6) prevista con un segundo contacto (B) de celda eléctrico;

una primera y una segunda capa (3, 5), en las que los iones pueden ser insertados de forma reversible, siendo revestida

la primera capa (3) sobre la primera capa de electrodo (2), y siendo revestida la segunda capa (5) sobre la segunda capade electrodo (6); y

una capa de conducción de iones (4) que separa la primera y segunda capas (3, 5) en las cuales los iones puede serinsertados de forma reversible;

donde al menos la primera capa (3), en la que los iones pueden ser insertados reversiblemente, es electrocrómica; ydonde la primera y la segunda capas (3, 5), en la que los iones pueden ser insertados reversiblemente, son electrodoscontrarios entre sí;

comprendiendo el proceso las operaciones de:

medir de modo continuo la corriente iC que fluye a través de la celda si se aplica una tensión a las capas de electrodo (2,6); y

aplicar una tensión UC a los contactos (A, B) y variar la tensión aplicada como una función de corriente, de tal modo quela tensión Uf generada entre las capas de electrodo (2, 6) es mantenida dentro de los límites de redox predeterminadosseguros dependientes de la temperatura, de manera que la corriente de la celda está limitada a límites predeterminadosdependientes de la temperatura,

caracterizado por que la tensión aplicada es aumentada solamente de manera escalonada si la corriente de la celda esmenor que una corriente de celda máxima imax determinada de acuerdo con

i max≥ j max x Area + (T - T ) x F max max 0donde jmax es una densidad de corriente máxima predeterminada, Área es el área de celda activa, T es la temperatura delelemento electrocrómico, y T0 es una temperatura de referencia, permitiendo por ello el factor F la modificación de la corriente de acuerdo con la temperatura, permitiendo por ello la modificación de la velocidad de conmutación conrespecto a la temperatura.

Proceso y aparato para conmutar dispositivos electrocrómicos de gran área Campo del Invento El presente invento se refiere a un método y un sistema para conmutar un dispositivo electrocrómico de gran área. En particular, invento se refiere un método para conmutar dispositivos electrocrómicos de tal manera que se aplican tensiones seguras, mientras optimiza simultáneamente la velocidad de conmutación y la homogeneidad de la transmisión óptica.

Antecedentes del Invento Los materiales electrocrómicos sufren un cambio en las propiedades ópticas cuando los iones y electrones son insertados en ellos bajo la influencia de un campo eléctrico. Un dispositivo electrocrómico puede ser construido de tales materiales, de tal modo que la transmitancia visual de dicho dispositivo cambia cuando se aplica una tensión entre dos electrodos. Los dispositivos electrocrómicos tiene muchas aplicaciones, incluyendo acristalamiento conmutables (donde la transmisión de calor y luz es regulada de acuerdo con algún esquema) , espejos automotores (donde los dispositivos electrocrómicos toma la forma de elementos de presentación para formar imágenes conmutables) .

La aplicación de materiales electrocrómicos en los acristalamientos de ventanas requiere que los electrodos sean de área grande (gt; 1 m2) y operen a temperaturas que oscilan desde -20° C hasta +80° C. Estas restricciones sitúan requisitos específicos en los materiales disponibles para la construcción del dispositivo electrocrómico, y afectan a las características de conmutación. La comercialización satisfactoria de dispositivos electrocrómicos como acristalamientos de ventanas requiere una vida útil de conmutación sustancial (gt; 10 años) , suficiente homogeneidad de transmisión óptica y un tiempo de conmutación razonable (lt; 15 minutos) ; todos estos factores dependen del algoritmo de conmutación utilizado. La aplicación de tensiones excesivas hace que ocurran reacciones laterales que dan como resultado la degradación del dispositivo y la reducción de la vida útil. La aplicación de potenciales inapropiadamente bajos da como resultado tiempos de conmutación excesivos. La conmutación de dispositivos electrocrómicos debe ser realizada de manera que satisfaga los requisitos esquematizados antes.

La vida útil de los dispositivos electrocrómicos depende principalmente de la magnitud de las tensiones aplicadas y de la cantidad de carga insertada en las capas electrocrómicas, los límites para estos parámetros pueden ser determinados fácilmente por experimentación electroquímica. Si el límite de inyección de carga reversible para las capas electrocrómicas es determinado, y las capas no son sobrecargadas durante la conmutación del dispositivo (es decir no se exceden los límites reversibles) es entonces la tensión aplicada la que tiene la mayor influencia en la vida útil del dispositivo.

El rango de tensiones que puede ser aplicado entre las capas de electrodo, sin causar degradación del dispositivo es referido a menudo como el rango de estabilidad redox; la aplicación de tensiones fuera de este rango provoca la degradación del dispositivo reduciendo por ello la vida útil. El rango de estabilidad redox puede ser determinado, por ejemplo, por experimentos de volumetría cíclica a distintas temperaturas. La optimización de la vida útil puede hacerse entonces simplemente limitando la tensión eléctrica entre las capas de electrodo al rango de estabilidad redox para este sistema particular. La dificultad en aplicar se encuentra en el hecho de que la tensión es aplicada generalmente entre dos contactos eléctricos, que están en lados opuestos del dispositivo electrocrómico (como se ha mostrado en la fig. 1) .

Las estructuras típicas del dispositivo electrocrómico como es conocido del estado de la técnica comprenden sustratos (usualmente vidrio) , capas de electrodo (conductoras eléctricamente) , capas electrocrómicas y el electrolito (polímero o inorgánico) . Están previstos los contactos eléctricos a las capas de electrodo.

Cuando se aplica una tensión entre los contactos (tensión de contacto, UAB) , un campo eléctrico distribuido es generado entre las capas de electrodo. La resistividad de las capas de electrodo es relativamente alta comparada con conductores metálicos (aprox. 10 – 20 Ohm/sq) lo que da como resultado en una caída de tensión significativa a través de cada una de las capas de electrodo. La diferencia de potencial resultante entre las capas de electrodo en un punto dado x (Uf (x) ) , es entonces una función de desplazamiento del punto x desde los contactos de electrodo. Si una celda electrocrómica tiene solamente dos contactos no es posible medir directamente la tensión entre las capas de electrodo Uf (x) . Con el fin de asegurar que la tensión entre las capas de electrodo está dentro del rango de estabilidad redox, es necesario estimar Uf (x) o medirla directamente (en cuyo caso se requieren al menos tres contactos) .

La distribución de tensión descrita antes es tal que Uf (x) es el más adyacente a los contactos de celda, y está a la mitad más baja entre los contactos de celda. Esto hace que la conmutación (coloración y decoloración) ocurra más rápido en los bordes de la celda (cerca de los contactos) que en el centro del dispositivo (entre los contactos) ; el así llamado quot;efecto de bordequot;. Como la tensión entre las capas de electrodo es mayor en los bordes en contacto de la celda, no es necesario simular la distribución de tensión sobre la celda completa, es suficiente correlacionar la tensión aplicada a los contactos de celda con la tensión máxima (Uf, max) generada entre las capas de electrodo. La tensión aplicada puede a continuación ser limitada consecuentemente, asegurando por ello que la máxima tensión Uf, max generada entre las capas de electrodo permanece dentro de los límites seguros del redox.

La conmutación con corrientes elevadas permite una respuesta más rápida y por lo tanto tiempos de conmutación inferiores, sin embargo da como resultado una mayor falta de homogeneidad de transmisión. La distribución de tensiones eléctricas entre las capas de electrodo de una celda depende inherentemente de la resistencia de las capas de electrodo y de la corriente de la celda. Corrientes elevadas provocan una caída de potencial interno mayor a través de las capas de electrodo, lo que da como resultado una distribución de tensión menos homogénea. Con el fin de conmutar dispositivos electrocrómicos con transmisión óptica más homogénea, es entonces útil limitar la corriente de la celda, sin embargo el tiempo de conmutación resulta inaceptablemente largo si la corriente es demasiado baja. La conmutación rápida y la conmutación homogénea son entonces objetivos mutuamente competitivos, y debe encontrarse un equilibrio entre las dos con el fin de optimizar las características de conmutación. Es entonces inherentemente necesario ser capaz de controlar la corriente de celda con el fin de conmutar celdas con velocidades razonables y homogeneidad de transmisión.

El documento WO9837453 describe un método para conmutar dispositivos electrocrómicos, de acuerdo con el cual el preámbulo de la reivindicación de patente es formulado. Este método implica conmutar un dispositivo electrocrómico aplicando una rampa de tensión desde cero voltios hasta un límite predeterminado dependiente de la temperatura predeterminada ‘Umax’. La corriente es medida de forma continua durante la rampa de tensión, y la resistencia total de la celda ‘Rges’ es calculada a partir de los datos de tensión y de corriente. La tensión efectiva en las capas electrocrómicas ‘Ueff’ es calculada a partir de la tensión aplicada, la corriente de celda y la resistencia total (‘Rges’) . La tensión es aplicada de tal manera que ‘Umax’ y ‘Ueff’ están limitadas a límites predeterminados dependientes de la temperatura, hasta que el estado óptico/de carga deseado es obtenido.

Este método tiene las siguientes desventajas:

1. La aplicación de la tensión de acuerdo con este método se basa en la resistencia total de la celda (‘Rges’) , que es descrita como la suma de todas las resistencias óhmicas, entre los contactos de celda. El método teoriza que esta resistencia puede ser utilizada para asegurar que los límites de tensión electroquímica seguros no son excedidos, durante la conmutación. La resistencia total de la celda incluye series de resistencias desde cables, capas de electrodo, capas electrocrómicas y electrolitos. Sin embargo, se ha mostrado experimentalmente que esta teoría no funciona en la práctica, y el uso de la resistencia ‘Rges’ controlando la conmutación de dispositivos... [Seguir leyendo]

1. Un proceso para conmutar una celda electrocrómica que comprende al menos los siguientes componentes:

una primera capa de electrodo (2) provista con un primer contacto (A) de celda eléctrico y una segunda capa de electrodo (6) prevista con un segundo contacto (B) de celda eléctrico;

una primera y una segunda capa (3, 5) , en las que los iones pueden ser insertados de forma reversible, siendo revestida la primera capa (3) sobre la primera capa de electrodo (2) , y siendo revestida la segunda capa (5) sobre la segunda capa de electrodo (6) ; y

una capa de conducción de iones (4) que separa la primera y segunda capas (3, 5) en las cuales los iones puede ser insertados de forma reversible;

donde al menos la primera capa (3) , en la que los iones pueden ser insertados reversiblemente, es electrocrómica; y

donde la primera y la segunda capas (3, 5) , en la que los iones pueden ser insertados reversiblemente, son electrodos contrarios entre sí;

comprendiendo el proceso las operaciones de:

medir de modo continuo la corriente iC que fluye a través de la celda si se aplica una tensión a las capas de electrodo (2, 6) ; y

aplicar una tensión UC a los contactos (A, B) y variar la tensión aplicada como una función de corriente, de tal modo que la tensión Uf generada entre las capas de electrodo (2, 6) es mantenida dentro de los límites de redox predeterminados seguros dependientes de la temperatura, de manera que la corriente de la celda está limitada a límites predeterminados dependientes de la temperatura,

caracterizado por que la tensión aplicada es aumentada solamente de manera escalonada si la corriente de la celda es menor que una corriente de celda máxima imax determinada de acuerdo con imax ∀ jmax # Area ∗ (T ! T0) # F

donde jmax es una densidad de corriente máxima predeterminada, Área es el área de celda activa, T es la temperatura del elemento electrocrómico, y T0 es una temperatura de referencia, permitiendo por ello el factor F la modificación de la corriente de acuerdo con la temperatura, permitiendo por ello la modificación de la velocidad de conmutación con respecto a la temperatura.

2. Un proceso según la reivindicación 1, caracterizado porque la dependencia de temperatura de los límites redox seguros UEC es calculada de acuerdo con la ecuación:

UEC ∀ a ∗ bT

donde T es la temperatura del elemento electrocrómico y a y b son constantes relacionadas con el diseño del dispositivo electrocrómico.

3. Un proceso según la reivindicación 1, caracterizado por que la densidad de corriente máxima jmax es calculada a partir del tiempo de conmutación deseado, de acuerdo con la ecuación ) Qmax jmax ∀ ( Tiempo %

donde Qmax es la densidad de carga máxima correspondiente al estado completamente coloreado y Tiempo es el tiempo de conmutación deseado.

4. Un proceso según la reivindicación 1, caracterizado por que la resistencia efectiva REƒƒ de la celda electrocrómica es calculada a partir de las dimensiones de la celda y al menos una constante de material antes de comenzar el proceso de conmutación.

5. Un proceso según la reivindicación 4, caracterizado por que la resistencia efectiva REƒƒ de la celda electrocrómica es calculada a partir de la anchura de la celda (w) , donde la anchura (w) se refiere a una separación entre las tiras de contacto de electrodo de los contactos de la celda (A, B) , la altura (h) , en que la altura (h) corresponde a una longitud de los bordes contactados de los contactos de la celda (A, B) y al menos una constante de material (k) , de acuerdo con la ecuación

w&

RE ƒƒ ∀∋) ∃xk ( h %

6. Un proceso según la reivindicación 5, caracterizado por que la tensión máxima Uƒ, max generada entre las capas de electrodo es calculada a partir de la tensión de contacto aplicada UC, la corriente de la celda iC y la resistencia efectiva REƒƒ de la celda electrocrómica.

7. Un proceso según la reivindicación 6, caracterizado por que la tensión máxima generada entre las capas de electrodo es calculada de acuerdo con la ecuación U ∀ U ! iR

ƒmax C CE ƒƒ

8. Un proceso según las reivindicaciones 2 y 7, caracterizado por que la tensión máxima UC, max que puede ser aplicada de forma segura a los contactos de la celda (A, B) es calculada a partir del límite de redox seguro dependiente de la temperatura UEC, de la corriente de la celda iC, y de la resistencia efectiva REƒƒ de la celda electrocrómica.

9. Un proceso según la reivindicación 8, caracterizado por que la tensión máxima que puede ser aplicada de forma segura a los contactos de la celda (A, B) es calculada a partir del límite de redox seguro dependiente de la temperatura UEC, de la corriente de la celda iC y de la resistencia efectiva REƒƒ de la celda electrocrómica, de acuerdo con la ecuación U ∀ U ∗ iR

C, max EC CEƒƒ

10. Un proceso según la reivindicación 1, en el que la tensión de celda aplicada UC es modificada de una manera escalonada, incrementada para coloración, disminuida para decoloración, siempre que la corriente de la celda permanezca por debajo del límite de corriente predeterminado imax hasta que es alcanzado un límite de tensión de contacto de celda máxima UC, max.

11. Un proceso según la reivindicación 10, en el que la tensión de celda aplicada es modificada de una manera escalonada hasta que es alcanzado el límite de tensión de contacto de celda máxima UC, max, de acuerdo con la ecuación UC, ƒ ∀ UC, i ∗Ustep

siendo el tamaño del escalón de tensión Ustep positivo para la coloración, y negativo para la decoloración, y con las tensiones final e inicial Uc, ƒ y Uc, i.

12. Un proceso según la reivindicación 10, en el que la tensión de celda aplicada es modificada de una manera escalonada después de que sea alcanzado el límite de tensión de contacto de celda UC, max, de acuerdo con la ecuación U ∀ U ∗U

C, ƒ C, i step

siendo el tamaño del escalón de tensión Ustep positivo para la coloración, y negativo para la decoloración, y con las tensiones final e inicial Uc, ƒ y Uc, i.

13. Un proceso según las reivindicaciones 1 ó 2, en el que a una temperatura dada, T, de la celda electrocrómica el proceso de decoloración, y por lo tanto la extracción de carga, es prolongado durante un periodo de tiempo específico, ΔtBt, que es calculado de acuerdo con la ecuación .t ∀, T ! T −# Z

Bt lim

donde ΔtBt es el tiempo de decoloración adicional, Tlim es una temperatura límite de la celda electrocrómica por debajo de la cual se extiende el proceso de decoloración, si Tlim gt;T, y Z es un factor que designa cuánto tiempo debería prolongarse el proceso de decoloración para cada grado por debajo de la temperatura límite.

14. Un proceso según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por que la tensión de contacto aplicada a los contactos de celda (A, B) es variada en escalones o saltos de 10-100 mV.

15. Un proceso según la reivindicación 1, en el que ambas capas en las que los iones pueden ser insertados de forma reversible son electrocrómicas.

16. Un proceso según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14, en el que la primera y la segunda capas de electrodo son ópticamente transparentes.

17. El aparato, que comprende:

una celda electrocrómica, y

una fuente de tensión, dispuesta para aplicar una tensión UC a los contactos (A, B) de dicha celda electrocrómica, en que la celda electrocrómica comprende al menos los siguientes componentes:

una primera capa de electrodo (2) provista con un primer contacto (A) de celda eléctrico y una segunda capa de electrodo (6) provista con un segundo contacto (B) de celda eléctrico;

una primera y una segunda capas (3, 5) , en que los iones pueden ser insertados de forma reversible, siendo revestida la primera capa (3) sobre la primera capa de electrodo (2) , y siendo revestida la segunda capa (5) sobre la segunda capa de electrodo (6) ; y

una capa de conducción de iones (4) que separa la primera y segunda capas (3, 5) en que los iones pueden ser insertados de forma reversible,

donde al menos la primera capa (3) , en la que los iones pueden ser insertados de forma reversible, es electrocrómica; y

en el que la primera y la segunda capas (3, 5) , en las que los iones pueden ser insertado de forma reversible, son electrodos contrarios entre sí;

en que el aparato comprende además medios para medir la tensión de contacto aplicada UC,

un controlador conectado a los medios para medir la tensión de contacto aplicada y adaptado para analizar los valores medidos;

un amperímetro, adaptado para proporcionar que la corriente de celda iC sea medida de modo continuo y enviar los valores medidos de la corriente de celda al controlador sobre una base cíclica;

un sensor de temperatura, adaptado para proporcionar una medición de temperatura de la celda electrocrómica, preferiblemente incorporado en una estructura de la celda electrocrómica, de tal manera que el controlador está adaptado para calcular la magnitud de la tensión eléctrica que ha de ser aplicada a los contactos de la celda (A, B) basándose en los valores de temperatura, los límites de tensión electrocrómica y la corriente de la celda, en que el controlador está adaptado para aumentar la tensión aplicada como una función de la corriente, de tal manera que la tensión Uf generada entre las capas de electrodo (2, 6) es mantenida dentro de los límites de redox seguros predeterminados dependientes de la temperatura, de manera que la corriente de la celda está limitada a los límites predeterminados dependientes de la temperatura, estando caracterizado el aparato por que el controlador está adaptado para aumentar la tensión aplicada de manera escalonada solamente si la corriente de la celda es menor que una corriente de celda máxima imax determinada de acuerdo con i ∀ j # Area ∗ (T ! T ) # F

max max 0

donde jmax es una densidad de corriente máxima predeterminada, Área es el área de la celda activa, T es la temperatura del elemento electrocrómico, y T0 es una temperatura de referencia, permitiendo por ello el factor F la modificación de la corriente de acuerdo con la temperatura, permitiendo por ello la modificación de la velocidad de conmutación con respecto a la temperatura.

18. El aparato según la reivindicación 17 caracterizado por que el controlador comprende además un microprocesador y está adaptado para realizar cálculos de acuerdo con un algoritmo de conmutación, controlando por ello el proceso de conmutación completo basándose en el uso del algoritmo.