電致變色智能窗工作示意圖
澳門大學應用物理及材料工程研究院副教授吳嘉偉和王雙鵬的研究團隊首次提出一種新的電池技術，以水系電解質解決了現有基於水系電解液的傳統電致變色器件存在的壽命短的問題。新技術能使低成本、高安全性的水系電致變色電池商業化成爲可能，並且深入探究其高性能來源的內在機理，有望為其它高性能電化學的器件的設計提供潛在的設計指導。該研究成果已獲國際知名學術期刊《美國化學會—納米》(ACS Nano）刊登。
電致變色技術被視爲未來實現高效綠色節能建築的絕佳策略，因爲它可以通過施加極低的電壓觸發氧化還原反應，表現爲納米薄膜光學性質，例如透過率、反射率、顔色等動態且可逆的調整。基於此技術的智能窗可以選擇性地吸收或反射外界的熱輻射和阻止內部熱逸散，從而以極低的自身能耗實現室內亮度和溫度的有效調節。由於其工作原理與可充電離子電池類似，電致變色器件可以同時用於調光和儲能，多功能電致變色電池（ECB）的概念應運而生。但由於傳統的電致變色器件大多基於鋰離子有機電解質，其較慢的響應速度和較低的循環壽命限制了它們的實際商業化應用。因此近年來，多價態離子水系電解質受到越來越多研究者們的關注。水系電解質相比於有機電解質有著更高的安全性和離子電導率。事實上，基於水系電解質的器件已被證實其顯著提升的響應速度和容量，但由於電致變色納米薄膜和水系電解質之間的不匹配，例如氧化鎢薄膜在酸性電解質中的腐蝕問題。水系電致變色電池只能在大約1000個循環內穩定運行，這遠遠達不到實際商業化的要求（>104個穩定的運行循環）。因此，開發一種電致變色納米薄膜和水系電解質互相匹配的全新架構對於未來低成本，高性能的電致變色器件的商業化至關重要。
有鑒於此，研究團隊設計了由鈦酸鋰電致變色薄膜和Al3+／Zn2+水系電解質組成的高度相容的超穩定多功能電致變色系統。通過系統地研究鈦酸鋰薄膜與不同水系電解質的匹配，得到的最優體系表現出卓越的電致變色性能，包括快速的響應速度（著色／褪色時間為7.65 s和4.35 s），高放電容量（151.94 mAh m-2），和創紀錄的循環壽命（>12500次穩定循環，無明顯光學對比度下降）。研究表明，Al3+離子具有高的電化學活性以促進鈦酸鋰薄膜的有效氧化還原，從而實現優異的光學對比度；Zn2+離子可以抑制不可逆氫氣的產生，提高了反應的可逆性。Al3+／Zn2+混合水系電解質和鈦酸鋰薄膜之間的協同匹配提高了電致變色和儲能性能，使之遠優於基於傳統氧化鎢薄膜的水系電致變色電池。尤其是其卓越的循環穩定性，使得鈦酸鋰薄膜成爲具有競爭力的下一代電致變色和透明電極材料。這些令人興奮的結果使低成本，高性能的水系多價態離子電解質基電致變色器件的商業化成爲可能，同時也為鈦酸鋰用在其他的水系電化學裝提供了潛在的設計依據。
該項研究的通訊作者為吳嘉偉和王雙鵬，論文的第一作者為澳門大學應用物理及材料工程研究院博士生吳智升，澳大博士生連震東、嚴閃閃和李潔蕾也對此課題作出重要貢獻。此項研究由澳門特別行政區科學技術發展基金（檔案編號：0038／2019／A1, 199／2017／A3, 0125／2018／A3, 和 0071／2019／AMJ）資助。全文請瀏覽：https://doi.org/10.1021/acsnano.2c06479
