Materials Today综述：通过平衡电致变色和储能之间的相互作用来实现高效的电致变色器件

以下文章来源于高分子科学前沿 ，作者高分子科学前沿

电致变色储能器件(EESDs)在单一器件内集成了电致变色和储能功能，已成为电致变色领域的一个研究热点。然而，传统的EESDs由一对互补的电极组成，需要外部电压来驱动其可逆变色过程，并且在放电后不能自发地切换回初始状态，具有较低的循环能量效率。因此，传统的EESDs在高变色效率和高储能能力之间仍然存在冲突。

基于金属阳极的EESDs可以良好的平衡电致变色和储能之间的冲突，其可以在没有外部电源的情况下自发地转换颜色，并回收消耗的能量。其中，基于铝阳极的EESDs已经得到很好的发展，但仍存在铝阳极反应的不可逆性和循环稳定性差等问题。基于锌阳极的EESDs为克服电致变色和能量储存之间的矛盾提供了最有效的实用策略，进而赋予电致变色储能器件优异的电致变色性能和出色的能量回收效率。

近期，山东大学于伟泳、刘林华、李海增教授等在Materials Today上详细地综述了通过平衡电致变色和储能之间的相互作用来实现高效的电致变色器件。首先，文章系统地讨论了传统的EESDs的结构和工作原理，具体介绍了电致变色和储能功能之间的矛盾根源。然后，文章总结了基于金属阳极的EESDs的最新进展，并强调了基于锌阳极的EESDs的研究进展及其在智能窗、显示器和可穿戴电子设备领域的应用。最后，文章展望了基于锌阳极的EESDs的未来发展方向。该综述以“Counterbalancing the interplay between electrochromism and energy storage for efficient electrochromic devices”为题在线发表在Materials Today上。

图一展示了传统的EESDs的工作原理。在充电过程中，阳离子在外部电压作用下嵌入电致变色层，由于工作电极的电致变色效应而出现相应的颜色变化。传统的EESDs被充电后，工作电极和对电极之间会形成电压，该内置电压可以为外部电子设备供电。然而，电致变色材料具有双稳态性质，这意味着嵌入的阳离子不能通过给外部电子器件供电而完全地从电致变色膜中提取出来，因此其真正的放电能力/电容是非常有限的，在放电到0 V时不能完全褪色。(Ref: Small Sci. 1 (2021) 2100040; Adv. Energy Mater. 7 (2017) 1602598)

图一 传统的EESDs工作原理

图二展示了基于金属阳极的EESDs的工作原理。金属阳离子的可逆嵌入和提取可以引起电致变色阴极的颜色变化。在放电过程中，金属剥离进入电解液中，电解液中的阳离子嵌入到电致变色阴极中，从而导致阴极的颜色改变。相反，在充电过程中，阳离子被从阴极中提取出来进入电解液，使阴极的颜色发生可逆的转换，同时电解液中的阳离子被镀到金属上。因此，基于金属阳极的EESDs可以在没有外部电压的情况下进行自着色，同时能够部分回收消耗的能量用于反向的褪色过程。这种基于金属阳极的EESDs具有卓越的能量回收能力，极大的缩减了循环过程中的能量消耗。

图二 基于金属阳极的EESDs工作原理

图三展示了基于铝阳极的EESDs。该工作以WO3-x为阴极，使用金属铝作为阳极来代替离子存储膜，该器件能够选择性地调节双波段的波长，从而提供三种不同的模式（即亮、冷和暗模式），而且其高内置电压（2.59 V）能够使器件自发着色。同时，该器件有能力回收在氧化过程中消耗的能量，自发着色过程可以释放出0.132 Wh m2的能量点亮一个LED。(Ref: Small Methods 4 (2019) 1900545)

图三 基于铝阳极的EESDs

尽管上述基于铝阳极的EESDs具有较好的电化学性能，但仍然存在着铝阳极的可逆性差、化学充电的不便性和循环稳定性差等问题。图四展示了基于锌金属阳极的EESDs，该工作使用了WO3阴极和Al3+/Zn2+混合电解质。与基于铝阳极的EESDs相比，该器件具有极好的可逆性和优异的电致变色性能，包括快速的自着色时间(0.5 s)，高光学对比度(88％)和大面积容量(185.6 mAh m-2，0.5 mA cm-2)。(Ref: Joule 3 (2019) 2268-2278)

图四 基于锌阳极的EESDs

基于锌阳极的EESDs不仅具有出色的可逆性和优异的电致变色性能，其在实际应用中还具有巨大潜力，例如，基于锌阳极的EESDs可用于制备大面积动态智能窗。该工作以透明锌网电极为阳极，制备出基于锌阳极的EESDs智能窗，可以有效解决大面积器件电场分布不均匀的问题。该智能窗表现出优异的电致变色性能，如快速切换时间（着色和褪色过程分别为3.6 s和2.5 s）、高光学对比度(67.2％)和卓越的着色效率(131.5 cm2 C-1)。此外，基于锌阳极的EESDs智能窗可以通过光伏太阳能电池板供电，能够在着色状态下储存电能，在褪色时提供电能。再者，基于锌阳极的EESDs智能窗平台可以扩展到大面积（如900 cm2）而不影响其卓越的电致变色性能。(Ref: Adv. Mater. 32 (2020) 2003574)

图五 基于锌阳极的EESDs应用于智能窗

研究表明，基于锌阳极的EESDs能够赋予电致变色器件优异的电致变色性能和出色的能量回收效率。为了满足EESDs的更高需求，未来探索基于锌阳极的EESDs的重要特性和实际应用是至关重要的，如电化学性质稳定的电解质、高透明的基材（如锌网状电极），以及添加电解质以消除锌枝晶的生长等。

转自：“i学术i科研”微信公众号

如有侵权，请联系本站删除！