电致变色智能窗工作示意图
澳门大学应用物理及材料工程研究院副教授吴嘉伟和王双鹏的研究团队首次提出一种新的电池技术，以水系电解质解决了现有基于水系电解液的传统电致变色器件存在的寿命短的问题。新技术能使低成本、高安全性的水系电致变色电池商业化成为可能，并且深入探究其高性能来源的内在机理，有望为其它高性能电化学的器件的设计提供潜在的设计指导。该研究成果已获国际知名学术期刊《美国化学会—纳米》(ACS Nano）刊登。
电致变色技术被视为未来实现高效绿色节能建筑的绝佳策略，因为它可以通过施加极低的电压触发氧化还原反应，表现为纳米薄膜光学性质，例如透过率、反射率、颜色等动态且可逆的调整。基于此技术的智能窗可以选择性地吸收或反射外界的热辐射和阻止内部热逸散，从而以极低的自身能耗实现室内亮度和温度的有效调节。由于其工作原理与可充电离子电池类似，电致变色器件可以同时用于调光和储能，多功能电致变色电池（ECB）的概念应运而生。但由于传统的电致变色器件大多基于锂离子有机电解质，其较慢的响应速度和较低的循环寿命限制了它们的实际商业化应用。因此近年来，多价态离子水系电解质受到越来越多研究者们的关注。水系电解质相比于有机电解质有着更高的安全性和离子电导率。事实上，基于水系电解质的器件已被证实其显着提升的响应速度和容量，但由于电致变色纳米薄膜和水系电解质之间的不匹配，例如氧化钨薄膜在酸性电解质中的腐蚀问题。水系电致变色电池只能在大约1000个循环内稳定运行，这远远达不到实际商业化的要求（>104个稳定的运行循环）。因此，开发一种电致变色纳米薄膜和水系电解质互相匹配的全新架构对于未来低成本，高性能的电致变色器件的商业化至关重要。
有鉴于此，研究团队设计了由钛酸锂电致变色薄膜和Al3+／Zn2+水系电解质组成的高度相容的超稳定多功能电致变色系统。通过系统地研究钛酸锂薄膜与不同水系电解质的匹配，得到的最优体系表现出卓越的电致变色性能，包括快速的响应速度（着色／褪色时间为7.65 s和4.35 s），高放电容量（151.94 mAh m-2），和创纪录的循环寿命（>12500次稳定循环，无明显光学对比度下降）。研究表明，Al3+离子具有高的电化学活性以促进钛酸锂薄膜的有效氧化还原，从而实现优异的光学对比度；Zn2+离子可以抑制不可逆氢气的产生，提高了反应的可逆性。Al3+／Zn2+混合水系电解质和钛酸锂薄膜之间的协同匹配提高了电致变色和储能性能，使之远优于基于传统氧化钨薄膜的水系电致变色电池。尤其是其卓越的循环稳定性，使得钛酸锂薄膜成为具有竞争力的下一代电致变色和透明电极材料。这些令人兴奋的结果使低成本，高性能的水系多价态离子电解质基电致变色器件的商业化成为可能，同时也为钛酸锂用在其他的水系电化学装提供了潜在的设计依据。
该项研究的通讯作者为吴嘉伟和王双鹏，论文的第一作者为澳门大学应用物理及材料工程研究院博士生吴智升，澳大博士生连震东、严闪闪和李洁蕾也对此课题作出重要贡献。此项研究由澳门特别行政区科学技术发展基金（檔案编号：0038／2019／A1, 199／2017／A3, 0125／2018／A3, 和 0071／2019／AMJ）资助。全文请浏览：https://doi.org/10.1021/acsnano.2c06479
