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Dokumentenidentifikation DE4111944C2 28.01.1993
Titel Elektrochromes System
Anmelder Battelle-Institut e.V., 6000 Frankfurt, DE
Erfinder Chu, Wing-Fong, Dr.;
Leonhard, Volker, Dr., 6000 Frankfurt, DE;
Hartmann, Rolf, 6233 Kelkheim, DE;
Ganson, Gertraud, 6370 Oberursel, DE;
Weppner, Werner, Prof. Dr., 7000 Stuttgart, DE
DE-Anmeldedatum 12.04.1991
DE-Aktenzeichen 4111944
Offenlegungstag 15.10.1992
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 28.01.1993
Veröffentlichungstag im Patentblatt 28.01.1993
IPC-Hauptklasse G02F 1/155
IPC-Nebenklasse C01G 23/04   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein elektrochromes System gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 2 bzw. 3. Solche elektrochrome Systeme sind aus Chemical Abstracts, Vol. 113, 1990, Seite 615, Nr. 1 06 224 t bekannt.

Es ist beispielsweise an elektrochrome Systeme für Lichtmodulationszwecke und allgemein sowohl an elektrochrome Systeme gedacht, bei denen das Substrat durchlässig ist, als auch an solche, bei denen das Substrat oder auch ein Teil der Schichtanordnung reflektierend wirken soll.

Der in derartigen Systemen ausgenutzte elektrochrome Effekt, der bei etlichen Oxiden von Übergangsmetallen auftritt, ist seit langem bekannt und wird seit geraumer Zeit ausgenutzt. Als elektrochromer Effekt wird im allgemeinen die reversible Ein- oder Entfärbung eines transparenten bzw. farbigen Materials unter dem Einfluß eines elektrischen Stromdurchgangs bezeichnet. Es handelt sich um einen Redoxvorgang in einer elektrochemischen Zelle, in der, abhängig von der Richtung des Stromflusses, eine der Elektroden oxidiert und die andere reduziert wird. Der Ladungstransport in der Zelle erfolgt über den Ionenstrom in einem die Elektroden voneinander trennenden Elektrolyten. Auf der Grundlage dieses Prinzips werden elektrochemische Fenster variabler Transmission und auch Spiegel hergestellt.

Der Aufbau einer als Festkörperanordnung realisierten Zelle der gattungsgemäßen Art kann z. B. auch gemäß den Angaben in Chemical Abstracts, Vol. 114, 1991, Seite 200, Nr. 1 46 920 u folgendermaßen schematisch beschrieben werden:

Glas | In&sub2;O&sub3;:Sn | WO&sub3; | Ionenleiter | Gegenelektrode | In&sub2;O&sub3;:Sn.

Das Sn-dotierte Indiumoxid In2O3 : Sn, genannt ITO, ist ein bekanntes elektrisch leitendes und transparentes Oxid, das standardmäßig als Zuleitungs- oder Kontaktschicht für die elektrochemischen Festkörperzellen eingesetzt wird. Das Wolframoxid WO3 ist das in der Literatur meistuntersuchte Oxid, das denn elektrochromen Effekt zeigt, und wird auch im eingangs erwähnten Stand der Technik eingesetzt.

Kritische und für die Funktion der Systeme wichtige Elemente sind insbesondere die Gegenelektrode und der Ionenleiter. Beide müssen in Form dünner Filme mit Verfahren wie thermischer Aufdampfung, Sputtern, Sol-Gel-Beschichtung oder Laser-Verdampfung herstellbar sein. Der Ionenleiter soll neben einer guten Ionenleitfähigkeit eine möglichst große Stabilität, insbesondere im Hinblick auf die Koexistenz mit den benachbarten Phasen aufweisen. Für die Gegenelektrode sind zusätzlich zu den genannten fertigungstechnischen Anforderungen die folgenden Bedingungen zu erfüllen:

  • a) Das Material in Form eines dünnen Films muß in der Lage sein, die Ionen aus dem Ionenleiter reversibel abzugeben und wieder aufzunehmen.
  • b) Das Material in Form eines dünnen Films soll bei der Ionenabgabe und -aufnahme weitgehend transparent bleiben.
  • c) Das Material in Form eines dünnen Films muß sowohl elektronenleitend als auch ionenleitend sein.


Beide oben erwähnten Abstracts schlagen als Gegenelektrode eine TiO&sub2;-CeO&sub2;-Schicht vor, die durch Tauchbeschichtung mit anschließender Wärmebehandlung hergestellt wird. Für den Li-leitenden Elektrolyten wird im Abstract 1 46 920 u der flüssige Elektrolyt PEO-LiN(SO&sub2;CF&sub3;)&sub2; angegeben. Das Gegenelektrodenmaterial soll ein gutes reversibles Verhalten bei gleichbleibenden Transparenz aufweisen.

Diese Eigenschaft wird auch für eine Gegenelektrodenschicht aus CexTiyTaz (oder Nbz)O&sub2; in Verbindung mit einer vorzugsweise ebenfalls flüssigen Elektrolytschicht aus einer Lithium-Fluorverbindung in der WO 91/02 282 angegeben, die neben einer Sol-Gel-Beschichtung auf Aufdampf- und Sputterverfahren für die Schichtbildung vorschlägt. Zu beachten ist bei diesen Gegenelektrodenschichten, daß CeO&sub2; in der Oxidationsstufe IV die stabilere Modifikation darstellt. Für eine gute Reversibilität ist jedoch die Stabilität in dieser Oxidationsstufe sehr hoch, so daß auf die Oxidationsstufe III von Ce übergegangen werden müßte, um eine hochwertige Gegenelektrode zu gewinnen.

Der in Materials Research Bulletin 16, 1981, Seiten 1281-1289, untersuchte Ionenleiter LiAlF&sub4; ist bezüglich seiner Phasenstabilität nicht unkritisch.

In der DE 36 29 879 A1 ist ferner ein komplexes Oxidbronze-Material für die Gegenelektrode aus einer ersten Oxidkomponente aus MoO&sub3;, WO&sub3;, ZrO&sub2;, Nb&sub2;O&sub5; und einer zweiten Oxidkomponente aus V&sub2;O&sub5; und/oder TiO&sub2; für feste Li-leitende Elektrolytschichten aus LiClO&sub4;, LiCF&sub3;SO&sub3; oder auch Natriumbeta-Aluminiumoxid angegeben, wobei auch hier keine wesentliche sichtbare Änderung des Gegenelektrodenmaterials auftreten soll. Es ist jedoch zu beachten, daß V&sub2;O&sub5; nicht in Dünnschichttechnologie (z. B. durch Sputtern) aufbringbar ist. Infolge der verschiedenen Oxidationsstufen von Vanadium ist dieses besser aus der flüssigen Phase aufbringbar.

Im Vergleich zu anderen Festkörper-Elektrolyten wie z. B. MgF2 haben sich die Li&spplus;-Ionenleiter als vorteilhafter herausgestellt, weshalb auch der Erfindung ausgehend von dem elektrochromen System gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 2 bzw. 3 die Aufgabe zugrunde lag, das System in Bezug auf die geforderten Eigenschaften, eine leichte und kostengünstige Herstellbarkeit sowie Funktionsfähigkeit und Haltbarkeit, weiter zu verbessern.

Diese Aufgabe wird durch die elektrochromen Systeme gemäß den Ansprüchen 1 bis 3 gelöst.

Gemäß der im Patentanspruch 1 angegebenen Lösung wird eine entscheidende Verbesserung erzielt, indem als Gegenelektrodenmaterial LixTiOy mit den angegebenen Stöchiometrien verwendet wird.

Material dieser Zusammensetzungen zeigt keinen eigenen elektrochromen Effekt. Wie aus einer weiter unten angeführten Untersuchung hervorgeht, ist der Vorgang der Li&spplus;-Ionenaufnahme und -Abgabe ausreichend reversibel. Z. B. ist bei Li2TiO3 gegenüber dem auch verwendeten LiCoO2 die Ladungstransportkapazität verbessert. Li2TiO3 als im Handel erhältliche Chemikalie ist preiswert und kann wie die anderen Zusammensetzungen durch unterschiedliche gängige Verfahren sowie auch unter Anwendung elektrochemischer Titration in der gewünschten Dünnfilmstruktur hergestellt werden.

Durch eine Dotierung des erfindungsgemäß erstmalig für diesen Zweck eingesetzten Materials mit Oxiden oder Fluoriden gemäß dem Anspruch 4 können die vorhandene Elektronen-Leitfähigkeit und Li&spplus;- Ionenbeweglichkeit des Materials noch weiter verbessert werden. Auch kann eine Festlegung der Sauerstoffaktivität des Systems hiermit erzielt werden. Grundsätzlich kann das Lithiumtitanat auch andere Verunreinigungen enthalten, die die Eigenschaften gegebenenfalls verbessern oder auch keinen spürbaren Einfluß hierauf haben.

Die Materialien der im zweiten und dritten Patentanspruch angegebenen alternativen Lösung eignen sich in vergleichbarer Weise gut für die Verwendung als Gegenelektrodenmaterialien. Die Mischoxide (Li2O)m(WO3)n(Sb2O3)o und (Li2O)m(WO3)n(CeO2)o mit der gekennzeichneten Stöchiometrie sind als dünne Schichten mit den genannten gängigen Verfahren einschließlich der Titration gut herstellbar und transparent. Die Modulation ist ebenfalls gering, d. h. die Schichten bleiben transparent, wenn ihnen Li&spplus;-Ionen entzogen werden oder in sie hineingepumpt werden. Die Ladungstransportkapazität ist gut und der Transportmechanismus ist ebenfalls ausreichend reversibel.

Übliche Verunreinigungen und gegebenenfalls Dotierungen sind möglich.

Im elektrochromen System gemäß dem Anspruch 1, 2 oder 3 sind grundsätzlich der bekannte Ionenleiter LiAlF4 oder auch andere lithiumleitende Festelektrolyte, z. B. in Form fester Lösungen aus Li4SiO4 und Li3PO4 verwendbar. Jedoch ist eine Kombination mit dem gemäß Anspruch 5 vorgeschlagenen Li3AlF6 Ionenleitermaterial vorzuziehen. Die spezifische ionische Leitfähigkeit von Li3AlF6 ist zwar gegenüber LiAlF4 geringer, jedoch ergibt sich trotz dieses einer Verwendung als Ionenleiter entgegenstehenden Aspekts, daß dieses Material dennoch mit gutem Erfolg einsetzbar ist, da die Schichten mit einer Dicke im Bereich von etwa 150 bis 250 nm so dünn sind, daß eine völlig ausreichende Ionenleitfähigkeit vorliegt.

Infolge einer gegenüber LiAlF4 andersartigen Kristallstruktur wird eine größere Phasenstabilitätsbreite erzielt, so daß das Li3AlF6 ein stabiles Ionenleitermaterial für den vorliegenden Zweck darstellt. Zudem ist es verdampfbar und bietet den Vorteil, ohne kritische Einschränkungen durch die genannten konventionellen Verfahren in Form einer dünnen Schicht herstellbar zu sein.

Das erfindungsgemäße elektrochrome System weist ferner vorzugsweise MgF2- Schichten als Haftvermittler und Schutzschichten gegen Feuchtigkeit auf beiden Seiten des ionenleitenden Festkörperelektrolyten auf.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel des elektrochromen Systems nach der Erfindung und

Fig. 2 ein Strom/Spannungsdiagramm, das das reversible Verhalten der Li-Ionenabgabe und -aufnahme der Gegenelektrode im elektrochromen System nach der Erfindung zeigt.

Das in Fig. 1 skizzierte elektrochrome System umfaßt dünne Filme 2 bis 8, die auf einem Glasträger 1 übereinander geschichtet sind. Hierzu sind bekannte Verfahren wie Aufdampfen, Sputtern, Sol-Gel-Beschichtung oder Laser-Verdampfung ohne Einschränkung anwendbar.

Das elektrochrome System ist in bekannter Weise mit einer oberen 7 und einer unteren 2 (auf dem Glasträger) transparenten, leitfähigen ITO-Kontaktschicht versehen, die im Ausführungsbeispiel etwa 150 nm dick sind. Als die eigentliche elektrochrom aktive Schicht dient eine etwa 400 nm dicke WO&sub3;-Schicht. Diese ist über eine Magnesiumfluorid-Haftschicht 4 von etwa 10 nm Dicke mit einer Festelektrolytschicht 5 aus Li3AlF6 von etwa 200 nm Dicke versehen. Eine weitere Magnesiumfluorid-Haftschicht 5 als Haftvermittler und Schutzschicht gegen Feuchtigkeit von wiederum etwa 10 nm Dicke verbindet die Schicht 5 mit einer Mischoxidgegenelektrode 7 aus LixTiOy von etwa 900 nm Dicke, auf der die abschließende ITO-Kontaktschicht 8 aufgebracht ist.

Zur Herstellung der Elektrolytschicht 5 werden LiF3 und AlF3 im Molverhältnis 1 : 3 eingesetzt, um das Lithiumaluminiumfluorid Li3AlF6 zu gewinnen, das eine breite Phasenstabilität aufweist und verdampfbar ist. Dies erfolgt auf eine entsprechend vorgegebene und prinzipiell bekannte Weise des jeweils angewandten Verfahrens zum Auftragen der Schicht. So wird z. B. eine Mischung aus LiF und AlF3 im Molverhältnis in einer Vakuumanlage aufgedampft.

Die LixTiOy-Schicht 7 kann entweder direkt aus Li2TiO3-Quellmaterial oder durch elektrochemische Titration aus einer TiO2-Schicht hergestellt werden. Bei der Methode der elektrochemischen Titration wird zunächst eine TiO2-Schicht mit einer der obigen Dünnschichttechniken auf einem mit einer ITO-Kontaktschicht beschichteten Glassubstrat 1 aufgebracht. Anschließend wird Lithium in die TiO2- Schicht elektrisch hineintitriert. Hierzu wird eine elektrochemische Zelle mit einem flüssigen Elektrolyten, wie beispielsweise LiClO4 in Propylencarbonat, und einer Pt-Elektrode mit folgendem Zellenaufbau vorgesehen:

⊖ Pt | ITO | TiO&sub2; | LiClO&sub4; in Propylencarbonat | Pt ⊕.

Durch Anlegen einer Spannung an die Platinelektroden werden Li&spplus;-Ionen in die TiO2-Schicht transportiert und es bildet sich bei Sauerstoffaufnahme z. B. aus der Atmosphäre das LixTiOy, das die eingangs erwähnten Anforderungen für ein Gegenelektrodenmaterial erfüllt. Die übrigen Schichten können dann durch beliebige Verfahren aufgebracht werden.

Darüberhinaus ist es möglich, diese Gegenelektrodenschicht 7 zusätzlich mit Oxiden und/oder Fluoriden wie SrO, MgO, CeO2, SnO2, Sb2O3, Nb2O3, AlF3, CeF3 und LiF zu dotieren. Durch Dotierung mit Stoffen dieser Art können die elektronische Leitfähigkeit und die Li&spplus;-Ionenbeweglichkeit weiter gesteigert werden. Außerdem kann mit einer solchen Dotierung die Sauerstoffaktivität des Systems festgelegt werden. Die angegebenen Materialien können auch als zweite Phase vorliegen. Wie bei der Dotierung kann es auch hierbei zu einer erhöhten chemischen Diffusion kommen.

Die Fig. 2 zeigt das Ergebnis einer potentiodynamischen Messung zur Untersuchung des reversiblen Verhaltens des verwendeten Gegenelektroden-Schichtmaterials an einer elektrochemischen Zelle mit einem flüssigen Elektrolyten aus LiClO4 in Propylencarbonat, einer Ag/AgCl-Referenzelektrode und einer Pt-Gegenelektrode mit dem Aufbau:

Glas | ITO | Li&sub2;TiO&sub3; | LiClO&sub4; in PC | Pt.

Aufgetragen ist der bei einem angelegten Potential E gegen die Ag/AgCl-Referenzelektrode gemessene Strom. Der Stromfluß entspricht je nach Spannungspolung dem Vorgang einer Li&spplus;- Ionenabgabe oder -aufnahme. Aus dem Diagramm geht hervor, daß die beiden Vorgänge ausreichend reversibel sind. Ferner wurde bei den Untersuchungen ermittelt, daß stets ein ausreichender primärer Ladungstransport (aus schraffierter Fläche) größer 20 mC/cm2 vorlag.

Die im Zusammenhang mit Fig. 1 angegebenen Schichtdicken sind nicht notwendigerweise einzuhalten, sondern können in weiten Grenzen geändert werden. Dabei sollte darauf geachtet werden, daß die Elektrolytschicht 5 im Hinblick auf die Ionenleitfähigkeit nicht zu dick wird. Dies wird mit einem Schichtdickenbereich zwischen etwa 150 bis 250 nm gewährleistet. Sehr viel dünnere Schichten können zu Kurzschlußeffekten führen.

Ferner ist es möglich, die ITO-Kontaktschicht 8 statt der entsprechenden Schicht 2 auf dem Glasträger vorzusehen. WO3 ist als elektrochrom wirkendes Material vorzugsweise zu verwenden, jedoch nicht zwingend einzusetzen. Andere Materialien wie MoO3, IrO2 und V2O5 sind in Verbindung mit den erfindungsgemäßen Schichten 7 und 5 denkbar.

Statt Glas kann jedes andere, auch farbige Substrat verwendet werden. So kann ausgenutzt werden, daß im entfärbten Zustand der Schichtanordnung die farbige Unterlage sichtbar ist, wogegen diese durch Verfärbung der elektrochromen Schicht abgedeckt wird. Dieser Effekt kann für flache Bildschirme oder großformatige Anzeigetafeln ausgenutzt werden.

Im Ausführungsbeispiel wurde vom kommerziell erhältlichen Li2TiO3 ausgegangen, jedoch sind auch die anderen stöchiometrischen Zusammensetzungen gemäß Anspruch 1 bzw. die anderen Materialien gemäß Anspruch 2 mit gleichen Verfahren aufbringbar.


Anspruch[de]
  1. 1. Elektrochromes System in Form einer Festkörperschichtanordnung auf einem Substrat mit einer Li&spplus;-Ionen leitenden Schicht als Festelektrolyt und einer Titanverbindung als Gegenelektrode, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenelektrodenschicht (7) aus LixTiOy mit 0,36 ≤ x ≤ 2 und 1,8 ≤ y ≤ 3 besteht.
  2. 2. Elektrochromes System in Form einer Festkörperschichtanordnung auf einem Substrat mit einer Li&spplus;-Ionen leitenden Schicht als Festelektrolyt, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenelektrodenschicht aus (Li2O)m(WO3)n(Sb2O3)o mit 0,3 ≤ m ≤ 0,49, 0,21 ≤ n ≤ 0,38 und 0,26 ≤ o ≤ 0,43 besteht.
  3. 3. Elektrochromes System in Form einer Festkörperschichtanordnung auf einem Substrat mit einer Li&spplus;-Ionen leitenden Schicht als Festelektrolyt und einer Cerverbindung als Gegenelektrode, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenelektrodenschicht aus (Li&sub2;O)m(WO&sub3;)n(CeO&sub2;)o mit 0,3 ≤ m ≤ 0,49, 0,21 ≤ n ≤ 0,38 und 0,26 ≤ o ≤ 0,43 besteht.
  4. 4. Elektrochromes System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenelektrodenschicht (7) mit Oxiden und/oder Fuoriden dotiert oder verunreinigt ist, die ausgewählt sind aus SrO, MgO, CeO&sub2;, SnO&sub2;, Sb&sub2;O&sub3;, Nb&sub2;O&sub3;, AlF&sub3;, CeF&sub3; und LiF.
  5. 5. Elektrochromes System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Li&spplus;-Ionen leitende Schicht (5) aus Li3AlF6 besteht.
  6. 6. Elektrochromes System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schicht (4, 6) aus MgF2 auf der Ober- und Unterseite der Li&spplus;-Ionen leitenden Schicht (5) zu deren Anbindung an die elektrochrom wirkende Schicht (3) und die Gegenelektrodenschicht (7) vorgesehen ist.
  7. 7. Elektrochromes System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrochrom wirkende Schicht (3) aus WO3 besteht.
  8. 8. Elektrochromes System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten (3 bis 7) des Systems einschließlich üblicher Kontaktschichten (2, 8) mit bekannten Verfahren wie thermischer Aufdampfung, Sputtern, Sol-Gel-Beschichtung oder Laser-Verdampfung aufgebrachte Schichten sind.
  9. 9. Elektrochromes System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenelektrodenschicht (7) eine mittels elektrochemischer Titration hergestellte Schicht ist.






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