一种可以变色的水系电池

研究背景

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。电致变色储能器件(EESDs)是一种集电致变色和储能于一体的器件。EESDs可以通过微小的电场改变颜色，能量将储存在EESDs中，促进可持续发展。EESDs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，EESDs的储能稳定性和循环性能并不令人满意。通常，锂离子基电解质是主流电解质。然而，电解液存在不安全、资源稀缺、成本高、单价金属离子储存量低等问题。并且循环稳定性受到Li+捕获在宿主电极中的极大限制，有必要为EESDs开发安全的电解质和高能活性材料。

文章摘要

电致变色储能器件(EESDs)融合了电致变色和储能功能，可以直观地实时显示储能水平，推动下一代透明电池的发展。然而，它们的性能在实际应用中仍然受到限制。在此，上海科技大学刘巍研究员使用水系Zn2+和混合Zn2+/Mn+(Mn+=Al3+、Mg2+和K+)电解质设计基于复合氧化铌钨的自供电EESDs。结果表明，使用Zn2+/Al3+混合电解质实现了优异的电致变色性能，包括自着色时间短、光学对比度高和循环稳定性优异。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EESDs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系和自供电EESDs提供了一种简单有效的策略。

这一研究以“High-Performance Aqueous Zn2+/Al3+Electrochromic Batteries based on Niobium Tungsten Oxides”（基于铌钨氧化物的高性能水系Zn2+/Al3+电致变色电池）为标题发表在国际期刊《Advanced Functional Materials》（2022年影响因子：19.924），上海科技大学刘巍研究员为通讯作者。

图文速递

图1：使用水性Zn2+和混合Zn2+/Mn+电解质的基于Nb18W16O93的自供电电致变色电池的示意图配置

a)电致变色电池的结构示意图。在放电/着色期间，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Zn2+基水性电解质的基于Nb18W16O93的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Zn2+基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400-900 nm波长范围内在漂白和着色状态下的透射率。d)Nb18W16O93薄膜在632.8 nm处在0和1.5 V VS. Zn2+/Zn下的原位透射率响应。e)Nb18W16O93薄膜在632.8 nm处作为电荷密度函数的光密度。f)在0 V VS. Zn2+/Zn下运行1分钟后开路条件下，在632.8 nm波长下监测Nb18W16O93薄膜的光学透射率。

图3：Nb18W16O93电极在四种Zn2+基水性电解质中的电化学性能

a)Nb18W16O93电极在632.8 nm处在0.5–0 V(着色)1分钟和1.5 V(漂白)1分钟的脉冲电压下的原位透射率响应。b)Nb18W16O93电极在0.1–1.4 V电压范围内电流密度为0.25 mA/cm2时的恒电流充放电曲线。c)在混合Zn2+/Al3+电解质中在632.8 nm处相应的原位透射率变化。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在混合Zn2+/Al3+电解质中测量的透射率图转换的太阳辐照度图。

图4：Nb18W16O93电极在四种Zn2+基水系电解质中的离子嵌入机理分析

XPS图案：a)Nb 3d，b)W 4f的初始(上)XPS图案和插层/有色(下) Nb18W16O93薄膜的XPS蚀刻图案，(c)在混合Zn2+/Al3+电解质中的 Al 2p插层/有色薄膜。d)四种Zn2+基水性电解质的pH值。e,f)文献中Zn2+电致变色材料的循环与ΔT保留和相应的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。插图显示了OCV的图像。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。

研究结论

总之，本文展示了一种高性能EESDs，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，本文系统地研究了EESDs在水性Zn2+和混合Zn2+/Mn+(Mn+=Al3+、Mg2+和K+)电解质中的性能。该体系(Nb18W16O93/水性混合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%)和出色的循环稳定性(5000次循环，93.13%的保留率)。混合Zn2+/Al3+系统由于其高电荷和小离子半径而主要由Al3+嵌入Nb18W16O93中。Al3+插入的强大静电力将稳定Nb18W16O93结构并产生优异的循环稳定性。

文献链接

High-Performance Aqueous Zn2+/Al3+ Electrochromic Batteries based on Niobium Tungsten Oxides

Cong Wu，Hongsheng Shi，Lianqi Zhao，Xin Chen，Xinshui Zhang，Chang Zhang，Jiameng Yu，Yinjie Lv，Ran Wei，Tianyi Gao，Jin Xie，Yi Yu，Wei Liu*

https://doi.org/10.1002/adfm.202214886