聚醚-碳酸酯凝胶聚合物电解质中的协同离子传导作用在电致变色器件中的应用

时间：2026年1月15日

来源：Materials Today Chemistry

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本研究通过调控聚醚碳酸（PEC）中醚/碳酸键比例，合成新型PECPUA材料，采用UV固化制备高离子电导率（2.42×10⁻³ S/cm）和优异光学透明度（87%）的GPE，显著提升电致变色器件（ECDs）的响应速度（着色3.6秒，消色2.7秒）和色变效率（152 cm²C⁻¹），并实现柔性基底应用。

天津科技大学生物基纤维制造技术国家重点实验室，中国天津市300457

摘要

凝胶聚合物电解质（GPEs）具有光学透明性、更高的离子导电性以及更好的电极粘附性。然而，GPEs中离子的有效迁移通常受到聚合物基质结构的限制，导致电致变色器件（ECDs）的响应速度慢且颜色变化不明显。本研究介绍了一种新型的聚（醚碳酸酯）基聚氨酯丙烯酸酯（PECPUA），该材料由聚（醚碳酸酯）二醇（PEC）合成，并具有可调的醚/碳酸酯键比例。经过紫外光固化的PECPUA作为GPE基质，其中含有双（三氟甲磺酰）亚胺锂和增塑剂琥珀腈。关键在于，PECPUA基质中醚键和碳酸酯键的协同作用形成了连续的Li–O键网络，从而实现了高效的锂离子传导。所得GPE在30°C时的导电率为2.42 × 10⁻³ S cm⁻¹，且具有优异的光学透明性（透射率87%）。使用这种GPE和电致变色材料聚（3,4-乙烯二氧噻吩）：聚（苯乙烯磺酸酯）制备的电致变色器件表现出出色的性能，其特点是高光学对比度（ΔT = 34.5%）、快速切换（着色时间为3.6秒，褪色时间为2.7秒）以及高着色效率（152 cm² C⁻¹）。通过使用柔性基底，本研究展示了可弯曲的电致变色玻璃和显示器，并具有定制图案，凸显了其在下一代可穿戴电子设备和智能可穿戴技术中的巨大潜力。

引言

电致变色器件（ECDs）在施加外部电压时能够动态地实现透射率的可逆调节，从而提供颜色调节能力、耐用性和可扩展性[1]。这些特性使得ECDs非常适合用于多种应用，包括智能窗户[2,3]、能源设备[4]、电致变色显示器[5]和可穿戴电子设备[6]。ECD通常由三个功能层组成：电致变色层、电解质层和离子存储层。其中，电解质是不可或缺的，因为它能够传导离子同时防止电极之间的直接电接触[7]。

凝胶聚合物电解质（GPEs）是构建下一代ECDs的有前景的材料[8]。它们保留了液态电解质的高离子导电性和界面相容性，同时具备固体聚合物的灵活性、热稳定性和安全性[9]。然而，由于活性位点不足、扩散路径不够顺畅以及机械稳定性不佳，GPEs的实际应用尚未得到充分发展。这些因素限制了离子的传输动力学，最终影响了电解质和ECDs的性能[10,11]。

提高GPEs和ECDs性能的有效策略是设计具有定制化学结构和形态的聚合物基质，以同时促进离子导电性、电化学稳定性、界面粘附性以及适当的熱稳定性和机械稳定性。例如，基于聚醚的GPEs（如聚（乙二醇二甲基丙烯酸酯）（PEGDA）在80°C时的离子导电率为8.50 × 10⁻³ S cm⁻¹，这归因于其柔性的醚键链，这些链提供了高链流动性、有效的溶剂化作用和Li⁺的配位能力[12]。通过热聚合使用PEGDA和乙氧基化三甲醇丙烷三丙烯酸酯制备了三维交联网络的GPE，这种对Li⁺迁移路径的优化使得GPE在室温下的离子导电率达到5.60 × 10⁻⁴ S cm⁻¹[13]。此外，基于聚碳酸酯的GPEs也很受欢迎，因为它们含有丰富的碳酸酯基团，可以有效降低Li⁺的解离势垒并促进Li⁺的迁移[14]。例如，聚（丙烯碳酸酯烯丙基缩水甘油醚）具有类似聚（丙烯碳酸酯）的特性，通过向聚合物侧链引入功能基团并进一步进行锂化处理，成功制备出了高能量的聚合物电解质，其离子导电率为1.61 × 10⁻⁴ S cm⁻¹（80°C)[15]。交联的聚（三亚甲基碳酸酯）GPE由于其高介电常数，能够有效溶解锂盐，其在室温下的离子导电率为约3 × 10⁻⁴ S cm⁻¹

在这项工作中，成功合成了一种新型的聚（醚碳酸酯）（PEC）基聚氨酯丙烯酸酯（PECPUA）单体，结合了醚基和碳酸酯基团的优点。通过在PEC合成过程中精确调节反应时间来控制这两种键的比例，我们优化了GPE的性能。这一策略利用了聚合物主链中醚键和碳酸酯键的协同效应，通过连续的Li–O键的形成和断裂来实现快速的Li⁺迁移，解决了电致变色技术中的关键瓶颈。GPE聚合物基材的结构设计显著提高了ECDs的整体性能，促进了其在智能窗户和防眩镜等应用中的发展。

材料

乙二醇碳酸酯（EC，纯度99%）和丁烷-1,4-二醇（BDO，AR）购自上海Macklin生化科技有限公司。三水合锡酸钠（Na₂SnO₃·3H₂O，AR）、1-异氰酸酯-4-(4-异氰酸基环己基)甲基]环己烷（HMDI，纯度99%）、二丁基锡二月桂酸酯（DBTDL，AR）、琥珀腈（SN，GC）和N,N-二甲酰胺（DMF，AR）购自上海Aladdin试剂有限公司。2-羟基乙基甲基丙烯酸酯（HEMA，纯度96%），[1R,2R,4R)-1,7,7-三甲基-2-双环

PEC和PECPUA的合成

为了获得优化GPE性能所需的定制PEC骨架，首先通过乙二醇碳酸酯的开环聚合（ROP）开始合成。虽然由于乙二醇碳酸酯的高聚合焓（125.6 kJ mol⁻¹）和副反应，纯聚碳酸酯均聚物的合成较为困难，但ROP方法利用了脱羧反应驱动的熵增加来实现热力学可行性[20,21]。关键在于，在ROP过程中调节反应时间可以实现精确控制

结论

本研究通过乙二醇碳酸酯的开环聚合合成了具有可调醚键和碳酸酯键的聚（醚碳酸酯）（PEC）。基于PEC的聚氨酯丙烯酸酯（PECPUA）单体被用于在紫外光照射下的高效原位固化。通过紫外光固化技术，实现了凝胶聚合物电解质（GPE）的快速高效制备，这种方法不仅提高了生产效率，还更加环保。PECPUA的效果

CRediT作者贡献声明

Xinyi Liu：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原始草稿、可视化、验证、方法论、研究、形式分析、数据管理、概念构建。Kun Wu：撰写 – 原始草稿、研究、形式分析、数据管理、概念构建。Zhenlei Liu：可视化、方法论、研究、数据管理。Chen Cheng：验证、研究、形式分析、数据管理。Biao Wang：监督、资源协调、项目管理。Bowen Xu：监督，