Deteção e Quantificação de Lítio em Filmes Finos Eletrocrómicos para Janelas Inteligentes

Abstract

Several studies have shown that ionic intercalation, a process that is responsible for the color change in electrochromic (EC) materials, is not completely reversible, resulting in the loss of important electro-optical properties. In order to correlate the properties of the EC film with the amount of intercalated ions, this work detects, quantifies, and locates Li+ through Nuclear Reaction Analysis (NRA) in samples on different states of lithiation. The samples consist on a tungsten oxide (WO3) film, the EC material, deposited on a transparent electrode of Indium Tin Oxide (ITO) on glass, by electron beam evaporation. They are in different coloration states – colored, transparent, and only immersed in the electrolyte – and the ionic intercalation was achieved by 4 cycles of Cyclic Voltammetry (CV) and 5 cycles of Chronoamperometry (CA), with LiClO4:PC as the electrolyte. Additionally, the variation of some parameters of the lithiation process was studied: concentration (0.5𝑀 and 0.1𝑀), applied voltage (0.5𝑉 and 1𝑉), and the effect of the EC crystalline structure (amorphous and crystalline). Lithium was detected in all of the layers of the samples (EC film, ITO and glass) with quantities ranging from 28, 27 × 1015 to 123, 36 × 1015 𝑎𝑡/𝑐𝑚2, and it was concluded that the presence of the ion in these layers results from its diffusion from the EC film. The results obtained validate data previously observed in the literature, such as the detection of lithium in the EC film when it is in contact with the electrolyte without being lithiated. Also, an inverse proportionality relation was observed between the minimum current obtained in CV and CA and the quantity of inserted lithium. Therefore, the results obtained in this work contribute to a deeper understanding of the ionic intercalation process in different states of the EC film.

Vários estudos verificam que o processo de intercalação iónica, processo responsável pela alteração de cor dos materiais eletrocrómicos (EC), não é completamente reversível, resultando na perda de propriedades eletro-óticas importantes ao longo do tempo. Assim, com o objetivo de correlacionar as propriedades eletro-óticas dos filmes EC com a quanti- dade de iões intercalados, neste trabalho é detetado, quantificado e localizado Li+, através de Análise por Reações Nucleares (NRA), em amostras em diferentes estados de litiação. As amostras são constituídas por um filme de óxido de tunsgténio ( WO3), o material EC, depositado num elétrodo transparente de Óxido de Índio e Estanho (ITO) em vidro, através da técnica de evaporação assistida por canhão de eletrões. São produzidas em diferentes estados de coloração – colorido, transparente e apenas mergulhado no eletrólito – e a intercalação ocorre através de 4 ciclos de Voltametria Cíclica (CV) e 5 ciclos de Cronoamperometria (CA), usando LiClO4:PC como eletrólito. Em simultâneo, foi estudado o comportamento eletro-ótico das amostras através de medições de transmissão ótica. Ainda, foi estudado a variação de alguns parâmetros do processo de litiação: a concentração do eletrólito (0,5𝑀 e 0,1𝑀), a tensão aplicada (0,5𝑉 e 1𝑉) e o efeito da estrutura cristalina (amorfo e cristalino). Foi detetado lítio em todas as camadas das amostras (filme EC, ITO e vidro) com quantidades entre os 28, 27 × 1015 e 123, 36 × 1015 𝑎𝑡/𝑐𝑚2, concluindo-se que a presença do ião resulta da difusão do mesmo a partir do filme EC. Os resultados obtidos validam dados observados na literatura, como a deteção de lítio no filme EC quando este esteve em contacto com o eletrólito sem sofrer litiação. Também, verificou-se uma correlação de proporcionalidade inversa entre a corrente mínima obtida na CV e CA com a quantidade de lítio inserida. Assim, os resultados obtidos neste trabalho cumpriram com o objetivo e contribuem para uma compressão mais aprofundada sobre o processo de intercalação iónica em diferentes estados do filme EC.