【原】上科大：一种基于铌钨氧化物的高性能水系电致变色电池！

近年来，随着人们对能源和环境污染的日益关注，绿色低耗的储能技术越来越受到人们的关注。EESD可以通过一个小的电场改变颜色，能量将储存在EESD中，这将促进可持续发展。EESD的结构与传统的电致变色器件一致，由透明导体、电致变色层、离子导电电解质层和离子存储层组成。电致变色材料已被广泛研究并显示出良好的电致变色性能。然而，EESD 的储能稳定性和循环性能并不令人满意。

来自上海科技大学的学者使用水性 Zn²⁺ 和混合 Zn²⁺/Mn⁺（Mn⁺ = Al³⁺、Mg²⁺和 K⁺）电解质设计了一种基于复杂氧化铌钨的自供电 EESD。结果表明，使用 Zn²⁺/Al³⁺杂化电解质可实现优异的电致变色性能，包括较短的自着色时间、高光学对比度和出色的循环稳定性。此外，还发现自着色过程伴随着氧化铌钨的高放电容量，在 Zn²⁺/Al³⁺ 混合电解质中具有高光学调制。系统地研究了使用各种电解质的 EESD 性能的详细机制。这项工作为具有高光学对比度和良好循环稳定性的水基和自供电EESD 提供了一种简单有效的策略。相关文章以“High-Performance Aqueous Zn²⁺/Al³⁺ Electrochromic Batteries based on Niobium Tungsten Oxides”标题发表在Advanced Functional Materials。

论文链接：

https:///10.1002/adfm.202214886

图 1. 使用水性 Zn²⁺ 和混合 Zn²⁺/Mn⁺（Mn⁺ = Al³⁺、Mg²⁺和 K⁺）电解质的基于 Nb₁₈W₁₆O₉₃的自供电电致变色电池的配置示意图。 a) 电致变色电池的结构示意图。在放电/着色过程中，离子嵌入到 Nb₁₈W₁₆O₉₃中。在充电/漂白过程中，离子从 Nb₁₈W₁₆O₉₃中提取出来。 b) 显示充电/漂白和放电/着色状态之间稳定循环性能的装置示意图。 c）使用各种水性 Zn²⁺ 电解质的 Nb₁₈W₁₆O₉₃基电致变色电池的性能。使用混合 Zn²⁺/Al³⁺ 电解质的电致变色电池具有最高的光学对比度和比容量。

图 2. Nb₁₈W₁₆O₉₃电极在四种基于 Zn²⁺ 的水性电解质中的电致变色性能。 a) Nb₁₈W₁₆O₉₃薄膜的 CV 曲线。

b) 在阴极还原和阳极氧化过程中，分别在 632.8 nm 处对应的原位透射率与电压曲线。

c) Nb₁₈W₁₆O₉₃在漂白和着色状态下在 400–900 nm 波长范围内的透射率。 d) Nb₁₈W₁₆O₉₃ 薄膜在 632.8 nm 处 0 和 1.5 V 与 Zn²⁺/Zn 的原位透射率响应。 e) Nb₁₈W₁₆O₉₃ 薄膜在 632.8 nm 处作为电荷密度函数的光密度。 f) Nb₁₈W₁₆O₉₃薄膜在开路条件下在 0 V 相对于 Zn²⁺/Zn下运行 1 分钟后在 632.8 nm 波长处的光学透射率监测。

图 3. Nb₁₈W₁₆O₉₃电极在四种基于 Zn²⁺ 的水性电解质中的电化学性能。 a) Nb₁₈W₁₆O₉₃ 电极在 632.8 nm 的原位透射率响应在 0.5–0 V（着色）1 分钟和 1.5 V（漂白）1 分钟的脉冲电压下。 b) Nb₁₈W₁₆O₉₃ 电极在 0.1–1.4 V 电压范围内电流密度为 0.25 mA/cm²时的恒电流充电放电曲线。 c) 在混合 Zn²⁺/Al³⁺电解质中，相应的原位透射率在 632.8 nm 处发生变化。d) 在混合 Zn²⁺/Al³⁺ 电解质中，在 0 和 1.5 V 之间的振荡电位下，在 632.8 nm 处测量了有色和漂白状态的光调制循环性能。插图显示第 1、2500 和 5000 次循环的透射光谱。 e) Nb₁₈W₁₆O₉₃在杂化Zn²⁺/Al³⁺电解质中测得的透射率图转换的太阳辐照度图。

图 4. Nb₁₈W₁₆O₉₃电极在四种 Zn²⁺ 基水性电解质中的离子嵌入机理分析。 a) Nb 3d、b) W 4f 的初始（上）XPS 图案和插层/着色（下）Nb₁₈W₁₆O₉₃薄膜和 (c) Al 2p 插层/着色薄膜在混合 Zn²⁺/Al³⁺ 电解质中的 XPS 蚀刻图案。 d) 四种基于 Zn²⁺ 的水性电解质的 pH 值。 e,f) 文献中 Zn²⁺电致变色材料的循环与 ΔT 保留和相应 ΔT 的比较

图 5. 原型设备在混合 Zn²⁺/Al³⁺ 水性电解质中的电致变色性能。 a) 400–1200 nm 波长范围内的透光率。b) 器件在 632.8 nm 处的原位透射率响应。 c) 光密度作为器件在 632.8 nm 处电荷密度的函数。 d) 器件的自放电（着色）和自充电（漂白）过程

总之，本研究展示了一种高性能 EESD，它使用 Nb₁₈W₁₆O₉₃作为电致变色层，用于混合 Zn²⁺/Al³⁺ 水性电解质中。同时，本工作系统地研究了 EESD 在水性 Zn²⁺ 和杂化 Zn²⁺/Mn⁺（Mn⁺= Al³⁺、Mg²⁺ 和 K⁺）电解质中的性能。该体系（Nb₁₈W₁₆O₉₃/水性杂化Zn²⁺/Al³⁺电解质/锌板）表现出快速的自着色响应时间（10.8 s）、大容量释放（160 mAh m⁻²）、高光学调制（90.5%）和优异的循环性能稳定性（5000 次循环，保留率为 93.13%）。由于其高电荷和小离子半径，杂化 Zn²⁺/Al³⁺系统主要由 Nb₁₈W₁₆O₉₃ 中的 Al³⁺ 嵌入。 Al³⁺ 插入的强大静电力将稳定Nb₁₈W₁₆O₉₃ 结构并产生出色的循环稳定性。（文：SSC）