Mater. Horiz.|一种抑制离子俘获和延长电致变色器件循环稳定性的策略

电致变色器件延长循环稳定性是大规模应用的前提需求。然而，对于电致变色器件而言，阴极电致变色电极在循环使用过程中，因离子俘获问题导致性能下降，这一难题严重阻碍了该技术的广泛应用。尽管已报道的恒电流、恒电压方法可以通过离子反俘获多次有效地使电致变色非晶氧化物性能恢复，但都需长时间的高电压作用，这会导致电解质分解以及电致变色器件中其它膜层的破坏，因此都无法在完整的器件中兼容。目前针对此问题尚未有好的解决方法。近日，南方科技大学温瑞涛科研团队的一项研究成果，为这一困境带来了转机。

图1 a-WO₃的衰减与所用电解质溶剂化能的关系

该团队指出在非晶WO₃(a-WO₃)体系中，离子俘获/反俘获过程与电解质中所使用的盐类密切相关。通过合理设计和选择电解质，能够有效抑制a-WO₃中离子反俘获，从而有效地延长电致变色器件的使用寿命。相关研究成果以“Retaining superior electrochromic performance by effective suppression of ion trapping upon cycling”为题发表在国际期刊Materials Horizons上。

图2 通过切换电解液使原来未恢复的电极性能恢复

在该研究中，团队发现在循环过程中，电解质对a-WO₃电致变色薄膜中的离子俘获起着关键作用，并提出了一种抑制离子俘获的策略。具体而言，已证实离子俘获与反俘获过程与盐类的溶剂化能（∆G）密切相关，但对电解质体系中所使用的溶剂并不敏感。当锂离子（Li⁺）与溶剂之间的亲和力较弱，即溶剂化能相对较大时，阴离子更有可能渗入锂离子-溶剂鞘层。这使得阴离子在外部偏压作用下，能够通过与锂离子-溶剂结合，更轻易地克服静电排斥力并抵达电致变色电极。在这种情况下，阴离子往往会与阳离子一同参与离子俘获过程，从而加剧性能衰退。

图3电解质抑制离子俘获对完整电致变色器件的效果展示

相反，通过采用阳离子-溶剂结合力更强的电解质，能够成功抑制离子俘获并延长循环稳定性。出乎意料的是，对于在高溶剂化能电解质中性能衰退的电致变色薄膜，将其切换至低溶剂化能的电解质中，可以使其性能恢复。同时，论证了合适的电解质抑制离子俘获可以有效地延长电致变色全器件的使用寿命。

这项研究成果不仅为抑制离子俘获和延长电极/电解质体系的循环稳定性提供了策略，而且鉴于电致变色领域大多采用液体电解质，该研究还强调了电极-电解质相互作用的重要性。

张人夫博士和黄庆姣博士为论文第一作者，南方科技大学为论文第一单位，温瑞涛副教授为通讯作者。论文作者还包括南科大材料系2022级硕士研究生殷梦涵，2023级硕士研究生高尔，2024级硕士研究生区哲轩，2023级博士研究生邵佩佩，2024级博士研究生Tooba Afaq Khan和孙佳伟硕士。该研究工作得到了国家自然科学基金、广东省教育厅、粤港澳微纳制造技术联合实验室、广东省重点实验室等单位的支持。

论文链接：DOI https://doi.org/10.1039/D5MH00229J