PREPARATION OF FIBROIN ELECTROLYTE FOR ELECTROCHROMIC DEVICES

Abstract

The rise in Earth's temperature caused by global warming is a primary reason contributing to increased electricity consumption for air conditioning in buildings. Electrochromic glass is a promising solution for regulating the penetration of light and heat into buildings, consequently reducing electricity demands. The electrolyte plays a crucial role in the performance of electrochromic glass. This research focuses on the preparation of electrolytes made from fibroin extracted from silk. Several parameters affecting the fibroin structure and ionic conductivity were investigated, including the ratio of fibroin to propylene carbonate (25-75 wt%), solvent evaporation temperature (20–50 °C), the amount of lithium perchlorate salt (3–12 wt%), the thickness of the electrolyte (100–600 nm) and electrolyte fabrication methods (Casting and Electrospinning). The results showed that a higher amount of additional propylene carbonate diminished a fraction of the β-sheet structure, leading to higher ionic conductivity. Additionally, a lower solvent evaporation temperature resulted in a higher water content in the electrolyte, thereby facilitating greater ionic conductivity. A higher lithium salt content in the electrolyte enhanced the ionic conductivity. An increase in electrolyte thickness can also enhance ionic conductivity; however, it may reduce light transmission through the electrolyte. Although the fabrication of fibroin electrolyte by the electrospinning method lowered the fraction of β-sheet structure, its lower salt content in electrolyte affected a decrease in ionic conductivity compared to that prepared by the casting method. The optimal electrolyte prepared via casting method, providing superior ionic conductivity and high optical transmittance, consisted of a fibroin to propylene carbonate weight ratio of 25:75, 42.56 mg of lithium perchlorate (12 wt%), and solvent evaporation at 20 °C. The result electrolyte exhibited a thickness of 100 ± 8 mm, a light transmittance of 88.04% in the range of 400-1100 nm, and ionic conductivity of 2.77x10-4 S/cm. Furthermore, the performance of electrochromic glass assembled with the electrolyte (glass/ITO/WO3/electrolyte/ITO/glass) was evaluated. After applying -2.5 V, the light transmittance decreased by 5% and 11% in the 400-800 nm and 800-1100 nm ranges, respectively. The calculated coloration efficiencies were 36.0 and 102.6 cm²/C, respectively. The electrolyte demonstrated high stability, retaining 90% of its initial efficiency after 200 cycles.

ภาวะโลกร้อนเป็นสาเหตุหลักที่ทำให้อุณหภูมิของโลกเพิ่มสูงขึ้น ส่งผลให้การใช้พลังงานไฟฟ้าสำหรับเครื่องปรับอากาศภายในอาคารเพิ่มสูงขึ้น กระจกอัจฉริยะที่กระตุ้นด้วยไฟฟ้าสามารถควบคุมการส่องผ่านของแสงและความร้อนเข้ามาภายในอาคาร ทำให้การใช้พลังงานลดลง อิเล็กโทรไลต์เป็นส่วนประกอบสำคัญของกระจกอัจฉริยะที่กระตุ้นด้วยไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพ ในงานวิจัยนี้ศึกษาการเตรียมอิเล็กโทรไลต์จากไฟโบรอินที่ได้จากไหม โดยปัจจัยการเตรียมที่ส่งผลต่อโครงสร้างของไฟโบรอินและค่าการนำไอออนของอิเล็กโทรไลต์ ได้แก่ สัดส่วนโดยน้ำหนักของไฟโบรอินต่อโพรพิลีนคาร์บอเนต อุณหภูมิในการระเหยตัวทำละลาย (20-50 องศาเซลเซียส) ปริมาณเกลือลิเธียมเปอร์คลอเรต (ร้อยละ 3-12 โดยน้ำหนัก) ความหนาของอิเล็กโทรไลต์ (100-600 นาโนเมตร) และวิธีการขึ้นรูปอิเล็กโทรไลต์ (Casting และ Electrospinning) พบว่า การเพิ่มปริมาณโพรพิลีนคาร์บอเนตในอิเล็กโทรไลต์ส่งผลให้สัดส่วนโครงสร้างผลึกเบตาชีทลดลงพร้อม ๆ กับการเพิ่มขึ้นของค่าการนำไอออน การลดอุณหภูมิในการระเหยตัวทำละลาย ทำให้ปริมาณน้ำใน อิเล็กโทรไลต์เพิ่มขึ้น ส่งผลให้ค่าการนำไอออนเพิ่มขึ้น การเพิ่มปริมาณเกลือลิเธียมเพิ่มขึ้นจะทำให้ค่าการนำไอออนเพิ่มขึ้น เช่นเดียวกับการเพิ่มความหนาของอิเล็กโทรไลต์ส่งผลให้ค่าการนำไอออนเพิ่มขึ้น อย่างไรก็ตาม ความหนาที่เพิ่มขึ้นส่งผลให้ค่าการส่องผ่านของแสงลดลง แม้ว่าวิธีการขึ้นรูปอิเล็กโทรไลต์ด้วยวิธี Electrospinning จะมีโครงสร้างผลึกเบตาชีทลดลง แต่การมีปริมาณเกลือในโครงสร้างที่น้อยกว่า จึงทำให้วิธีการขึ้นรูปด้วยวิธี Casting จะมีค่าการนำไอออนสูงกว่า อิเล็กโทรไลต์ที่เตรียมด้วยวิธีการ Casting ประกอบด้วยไฟโบรอินร่วมกับโพรพิลีนคาร์บอเนตร้อยละ 25:75 โดยน้ำหนัก และเกลือลิเธียม 42.56 มิลลิกรัม (คิดเป็นร้อยละ 12) ระเหยตัวทำละลายที่อุณหภูมิ 20 องศาเซลเซียส จะมีค่าการนำไอออนและค่าการส่องผ่านของแสงที่เหมาะสมสำหรับกระจกอัจฉริยะที่กระตุ้นด้วยไฟฟ้า โดยอิเล็กโทรไลต์ที่เตรียมได้มีความหนา 100±8 ไมโครเมตร มีค่าการส่องผ่านแสงในช่วง 400-1100 นาโนเมตร เท่ากับร้อยละ 88.04 และมีค่าการนำไอออนเท่ากับ 2.77x10-4 S/cm เมื่อนำไปประกอบเซลล์อิเล็กโทรโครมิค (glass/ITO/WO3/electrolyte/ITO/glass) พบว่า ภายหลังการป้อนศักย์ไฟฟ้า -2.5 V กระจกสามารถลดค่าการส่องผ่านแสง 5 และ 11 เปอร์เซ็นต์ ในช่วง 400-800 และในช่วง 800-1100 นาโนเมตร ตามลำดับ ทำให้มีค่าประสิทธิภาพการเปลี่ยนสีเท่ากับ 36.0 และ 102.6 ตารางเซนติเมตรต่อคูลอมบ์ ตามลำดับ โดยอิเล็กโทรไลต์ยังคงมีประสิทธิภาพสูงถึง 90 เปอร์เซ็นต์ของประสิทธิภาพเริ่มต้น ภายหลังการใช้งาน 200 รอบ