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

多功能化电致变色可充电水系电池(MERABs)能够有效结合水系电池和电致变色的优势，实现光-热-电化学多系统的转换和存储。电致变色器件能够动态调节太阳光和热辐射，但通常反应动力学缓慢且存储容量低。水系离子电池具有独特的功率密度和高离子电导率等优势，可以很好地弥补这些缺点。除了基本的储能特性外，MREAB同时具有可穿戴、可视化、自供电、耐低温等附加功能。在这篇综述中，我们全面讨论了从材料原理、结构设计到应用的潜在机制。虽然目前取得了很大进展，但MERAB的发展距离大规模实际应用还有一定距离。为此，我们需要从以下几个方面：开发新型电致变色材料，优化MERAB的器件结构，提高各个功能单位的兼容性，选用合适的插入离子以及采用先进的封装技术，来解决MERAB稳定性不足、存储容量不理想、转换效率低等问题，去推动产业化的进一步发展 。

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 。

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 。

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。

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 。

IV  MERABs的挑战与前景

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 。