香港城大李振声教授团队：铝离子电致变色/储能一体化器件取得研究进展

【研究背景】

电致变色储能器件结合了电致变色和能量储存的功能。其可以将器件变色过程中所耗能量储存进而回收利用，亦可通过器件颜色状态判断器件的储能状态，为下一代智能电源和智能窗提供了一种有价值的技术应用方向。使用水系多价Al³⁺金属离子电解液为制备安全且高功率/高能量密度的电致变色储能器件提供一种可行技术方案。但是，由于Al³⁺/Al还原电位远低于析氢电位，故直接使用金属Al为负极而实现在水系电解液中的可逆铝沉积存在较大的困难；同时，Al³⁺较高的电荷密度使得其在电极材料中表现出较低的脱嵌可逆性，故具有稳定的Al³⁺电致变色和储能材料体系仍然需要进一步的探索研究。因此，开发出基于Al³⁺的具有高电致变色/储能功能的器件具有较高的应用价值，且对其他多价金属离子的电致变色和储能研究具有一定的参考价值。

【工作介绍】

近日，香港城市大学超金刚石与先进薄膜研究中心李振声(Chun-Sing Lee)教授团队在Energy Storage Materials上发表题为“An aqueous aluminum-ion electrochromic full battery with water-in-salt electrolyte for high-energy density”文章，报道了一种具有高电致变色对比度、高能量/功率密度和高循环稳定性铝离子电致变色全电池器件。该工作中，(1)通过分子动力学模拟和实验分析，提出并证明使用水系高浓盐Al(OTF)₃为电解质，可以有效的提升Al³⁺在电解液中的有效移动和在电极材料中的脱嵌可逆性；(2)提出使用电沉积制备的非晶氧化钨(a-WO₃)/铁氰化铟(InHCF)薄膜分别为正负极薄膜电极，既可实现全电池器件具有较高的能量密度和功率密度，亦可保证所组装的器件在充放电过程中表现出较高的透过率调节值和颜色对比度。(3)组装获得的器件，在交变电压下亦可表现出可逆且稳定的透过率与颜色调节，使得该器件在智能窗领域也具有一定的应用潜力。

【全文解析】

图1是低浓度(1 m)和高浓盐(5 m)的Al(OTF)₃电解液的物理特性表征和分子动力学(MD)模拟结构。线性伏安扫描 (LSV, 1a)和离子电导率(1b)测试表明，高浓盐Al(OTF)₃电解液具有较宽的电化学窗口和较低的扩散激活能。拉曼光谱测试(1c)表明，低含量的自由水分子和低含量的可移动OTF^-阴离子是高浓盐(5 m)电解液具有较宽电化学窗口的直接原因。分子动力学模拟(1d-1g)表明，高浓盐中Al(OTF)₃具有较高的水解状态和较低的水分子配位数，且在电解液中存在由OTF^-聚集形成的连续三维网络。水合Al³⁺在三维的OTF^-网络中，由于静电相互作用，故表现出较快的移动速度。

图1是低浓度(1 m)和高浓盐(5 m)的Al(OTF)3电解液物理特性的表征和分子动力学(MD)模拟结构。

图2基于高浓盐Al(OTF)₃电解液的电致变色全电池性能。以电沉积非晶氧化钨(a-WO₃)/铁氰化铟(InHCF)薄膜分别为正负极薄膜电极，采用三明治结构(2a)，该器件在0.026至0.2 mA cm^-2的电流密度下表现出较高的可逆面能量密度和面功率密度(2b，2f)，以及明显的可见光透过率调节和颜色调节(2c，2e)。值得注意的是，该器件亦可在1.6V和0.2V的交变电压下，表现出可逆的透过率调节，即该器件亦可以用作电致变色智能窗使用。

图2基于高浓盐Al(OTF)₃电解液的电致变色全电池性能。

【总结】

作者提出使用高浓盐Al(OTF)₃水溶液为电解液，优化选择电沉积非晶氧化钨(a-WO₃)/铁氰化铟(InHCF)薄膜分别为正负极薄膜电极，首次构建获得铝离子电致变色全电池。该器件具有较高的透过率调节值、蓝色-透明颜色对比，和高面能量密度/面功率密度。相关的研究可为探索多价金属离子的电致变色和储能器件提供研究参考价值。

Zhongqiu Tong, Ruqian Lian, Rui Yang, Tianxing Kang, Jianrui Feng, Dong Shen, Yan Wu, Xiao Cui, Hui Wang, Yongbing Tang, Chun-Sing Lee, An aqueous aluminum-ion electrochromic full battery with water-in-salt electrolyte for high-energy density, Energy Storage Mater., 2021, DOI:10.1016/j.ensm.2021.11.001

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2405829721005092

作者简介：

第一作者：童仲秋，哈尔滨工业大学工学博士，现于香港城市大学李振声教授团队进行博士后研究。主要从事纳米材料合成、二次电池和电致变色储能器件的探索与研究。在Advanced Functional Materials、Energy Storage Materials、Small、Nanoscale Horizons等国际期刊发表论文30余篇，H因子18。

李振声(Lee Chun-Sing)教授现任香港城市大学化学系系主任、超金刚石及先进薄膜研究中心主任、讲座教授。李教授致力于有机电子学、有机电致发光、有机太阳能电池、二次储能电池、纳米材料及表面科学。曾在Science，Nature Communications，Advanced Materials，Advanced Energy Materials，JACS，Angew. Chem. Int. Ed., Nano Letters, ACS Nano等国际知名期刊发表多篇具有代表性的研究论文。总引用数超过40000次，H因子大于100。

http://www.cityu.edu.hk/cosdaf/MemberProfiles/profilecslee.htm