NML综述丨上海大学高彦峰/新加坡国立大学John Wang等：水性电致变色电池—交叉融合的多功能化集成系统

Electrochromic‑Induced Rechargeable Aqueous Batteries: An Integrated Multifunctional System for Cross‑Domain Applications

Qi Zhao, Zhenghui Pan, Binbin Liu, Changyuan Bao, Ximeng Liu，Jianguo Sun*, Shaorong Xie, Qing Wang, John Wang*, Yanfeng Gao*

Nano-Micro Letters (2023)15: 87

https://doi.org/10.1007/s40820-023-01056-y

1. 讨论了集成化的关键先决条件、基本运行机理以及各单元的兼容性。

2. 探讨了MERABs在光热转换以及电化学领域的最近进展与应用。

3. 针对这个快速发展的新兴领域中的关键问题和主要挑战提供了前瞻性解决方案，概述了MERABs未来可能的发展趋势。

电致变色现象是指材料的光学性质(如，透过率、反射率和吸收率)在电场作用下发生稳定可逆的变化的一类物理现象。电致变色材料应用于建筑、汽车等玻璃上，可有效调控室内的温度和亮度，增强节能减排效果，据测算可降低至少 10% 的能源消耗。近年来，这种控光技术趋于小型化和多功能化，在可穿戴产品、便携式电子器件、显示器和储能系统展现了广阔的应用潜力。目前，水系电池具有本征安全等优势，受到广泛研究。为弥补电致变色器件动力学反应慢和存储容量不足等缺点，将电致变色与水性电池集成为一个多功能化器件，是光热转换和电化学领域的关注问题。

这种多功能化电致变色可充电水系电池(MERABs)一方面可以动态调节太阳光和热辐射，起到节能效果；另一方面可以作为电池持续向外界供能。MERABs 提供了传统水系电池无法实现的额外功能，如太阳光和热辐射的动态调节以及能量水平的自发显示，拓展了新的应用场景。然而，其电化学性能不足，尤其是反应动力学缓慢、存储容量低和循环寿命差等问题，成为实现产业化的主要障碍。鉴于此，上海大学高彦峰教授联合新加坡国立大学John Wang院士重点关注水系电致变色电池(MERABs)的功能化集成与应用，综述了最新进展。

I MERABs 进展的综合概述

电致变色技术最初应用于智能窗和显示装置，随后赝电容型电致变色窗和自供电电致变色电池的发展推动了其在储能领域的应用。为了进一步满足日益增长的功能化需求，科学家致力于集成传感器、纳米发电机和可穿戴电子技术，拓展其在医疗检测、 物联网(IoT)以及极端环境下的新兴应用场景。

MERABs 进展的全面概述：从经典的电致变色器件到新兴的MERABs。

II 探究MERABs集成化的先决条件与可能性

从结构上可知，经典的电致变色结构由电致变色层、电解质层、离子存储层和两个透明导电层组成，这与水系电池的结构类似，其包含阴极、水性电解质、阳极和两层导电衬底。

从材料选择上看，常见的电致变色材料，例如WO₃，NiO，V₂O₅，普鲁士蓝和一些导电聚合物，也是水系电池经典的正极材料，这为两者集成提供了可能性。

从原理上分析， 两个导电层之间的压差导致离子/电子向电致变色层扩散，使得表面或体相中发生相应的氧化还原反应。值得注意的是，这种法拉第反应伴随着化合价或带隙的改变，从而导致颜色转换。相对应地，电池的阴/阳极之间的氧化还原电势差促进离子/电子的脱嵌，形成充放电过程。从本质上讲，MERABs建立了颜色切换和充电/放电过程之间的联系。

III MERABs的最新应用

本文将MERABs的应用分为以下四个部分：自供能装置， 可穿戴装置，集成化装置(包括传感器和纳米发电机等)，以及多系统转换装置。

IV MERABs的挑战与前景

针对MERABs的现存在的问题以及未来发展，我们从以下方面提出了自己的观点：

寻找新型MERABs电极材料。传统电致变色材料能量密度较低，无法和现有的电池材料性能媲美。其次，理想的电致变色器件是尽量在较小的电压窗口下实现较大的光密度变化，而电池需要在宽电压窗口下实现较大的能量密度。因此需要平衡好电致变色性能和电池性能之间的矛盾。

优化MERABs器件结构。MERABs具有多层结构，复杂的结构会带来较大的界面阻抗，较长的离子传输路径以及高制备成本。

优化各功能单元的兼容性。单层电极性能无法决定整个器件性能，应注重整体器件的优化，尤其是阴/阳极的电荷匹配需要着重考虑。

提高多系统中的转换效率。MERABs的电化学性能往往受到低转换效率的限制，例如太阳能和电能的转换，机械能和电能的转换。

选用合适的插入离子。不同的插入离子的离子半径，极化能力以及插入框架的静电作用力大相径庭，因此需要考虑插入离子与电极材料的匹配问题。

增加可穿戴的舒适性。可穿戴性是改善人类生活质量的重要特征。可穿戴MERAB不仅可以编织成织物，还可以应用于VR智能眼镜或隐形眼镜。因此需要从无毒、安全、舒适和可裁剪性等方面进行考虑。

提高器件的服役寿命。高稳定性是实际应用中的基本要求。然而，大多数已知的MERAB只能承受几千次循环。为了解决这个问题，可以考虑三种方法。(i)了解其工作机制，尤其是多价离子的工作机制。(ii) 构建稳定的界面结构。我们之前的工作已经表明，在界面处形成化学键可确保晶格完整性，从而提高循环寿命。(iii)扩大层状结构之间距离，利于离子脱嵌，从而提高扩散动力学。

采用先进的制备工艺。制备工艺包括封装和成膜技术。具体而言，全溶液沉积方法(如卷对卷法、喷涂、3D打印等)作为传统溅射沉积工艺的替代方案，具有低成本和高质量的特点， 这将有助于促进MERAB从实验室到工业的转化。此外，选用合适的包装材料可提供隔氧和防水功能，这样可以确保 MERAB 的高稳定性。

作者简介

赵起

本文第一作者

新加坡国立大学 博士后

▍主要研究领域

电致变色器件功能化研究，锂硫电池正极材料探究以及锂电回收。

高彦峰

本文通讯作者

上海大学 教授

▍主要研究领域

光热调制材料、热致/电致/光致材料、粉体合成与表面改性、气凝胶材料、防腐/耐磨/控热涂层。

▍主要研究成果

教育部长江学者特聘教授(2016)。国家杰出青年基金(2013)、上海市优秀学术带头人获得者，享受国务院特殊津贴。曾担任中国材料研究会理事、中国颗粒协会青年理事、中国硅酸盐协会特陶分会理事、中国硅酸盐协会薄膜与涂层分会理事、浙江省新材料协会理事，以及Science of Advanced Materials、Nanomaterials、Progress in Natural Science: Materials和《材料研究学报》等多个期刊编委和全国多个重点实验室学术委员会委员。发表学术论文200余篇，总被他引10000余次，h因子67。编辑英文专著2部，为6本专业书籍各撰写1章，获邀撰写综述论文6篇。申请发明专利100余项(已授权70余项)；有多项科研成果获得产业化应用。

▍Email：yfgao@shu.edu.cn

John Wang

本文通讯作者

新加坡国立大学  教授

▍主要研究领域

纳米结构材料在能源与环境中的应用, 二维材料化学，多铁性薄膜及器件。

▍主要研究成果

新加坡国立大学材料科学与工程系教授，在功能材料和材料化学领域拥有30多年的教学和科研经验，曾担任新加坡国立大学材料科学与工程系主任7年(2012年07月-2019年6月)。John Wang教授是亚太材料科学院院士(APAM)、新加坡国家工程院院士、新加坡国家科学院院士和 Clarivate 高被引学者 (2020-2022)。

▍Email：msewangj@nus.edu.sg

撰稿：原文作者

编辑：《纳微快报(英文)》编辑部

Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2021JCR影响因子为 23.655，学科排名Q1区前5%，中国科学院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

Web: https://springer.com/40820