综述:柔性可穿戴电子器件中的电致变色技术

【字体: 时间:2025年06月21日 来源:Wearable Electronics

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  这篇综述系统阐述了柔性电致变色(EC)器件在可穿戴电子领域的最新进展,重点介绍了EC材料(如WO3、PEDOT:PSS)、器件结构(平面/纤维器件)及其在智能显示、动态伪装、热管理等跨学科应用,为开发下一代自适应可穿戴系统提供了材料-结构-性能的全面参考。

  

柔性电致变色材料与器件
电致变色(EC)技术通过电压调控材料光学特性,在智能窗户、显示设备等领域展现出独特优势。近年来,随着可穿戴电子设备的快速发展,柔性EC器件因其高可控性、低能耗和机械适应性成为研究热点。

柔性电致变色材料
EC材料主要分为无机材料(如WO3纳米线、V2O5纳米片)和有机材料(如聚苯胺PANI、聚3,4-乙烯二氧噻吩PEDOT)。无机材料具有优异的光稳定性,而有机材料则表现出更好的机械柔性和色彩多样性。金属有机框架(MOFs)和共价有机框架(COFs)等新型材料因其多孔结构和可调光学特性成为新兴研究方向。碳基材料如石墨烯和碳纳米管(CNTs)在红外波段表现出独特的电致变色行为,可用于热管理伪装系统。

柔性器件结构创新
柔性EC器件按形态分为平面器件和纤维器件。平面器件采用"三明治"层状结构,通过优化电极(如银纳米线AgNWs、石墨烯)和电解质(如离子凝胶)实现弯曲耐受性。纤维器件则通过同轴或平行电极设计实现长程(>100米)均匀着色,其中螺旋电极结构可显著提升机械稳定性。

多功能集成应用

  1. 智能显示:基于PEDOT:PSS的EC纤维可编织成多色纺织品,实现动态信息展示;
  2. 动态伪装:V2O5基材料模拟自然环境色,结合红外调制实现多光谱隐身;
  3. 热管理:MWCNT薄膜通过电压调控红外发射率(Δε≈0.35),实现人体辐射散热智能调控;
  4. 健康监测:集成乳酸氧化酶的EC贴片可通过颜色变化实时反映汗液代谢物浓度;
  5. 能源器件:Zn离子EC电池(ZIEB)将能量存储与电量可视化结合,容量63.2 mAh g-1同时实现橙-绿多色转变。

挑战与展望
当前面临材料色域受限、电解质稳定性不足等挑战。未来发展方向包括:开发有机-无机杂化材料拓展色彩空间;设计自修复电解质提升耐久性;通过微纳结构优化实现超薄器件;发展AI驱动的自适应系统。柔性EC技术与生物传感、能源存储的深度融合,将推动下一代智能穿戴设备的实用化进程。

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