【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，南方科技大學(xué)材料科學(xué)與工程系溫瑞濤副教授團(tuán)隊(duì)圍繞電致變色器件長效服役難題開展系統(tǒng)性研究，分別在原位紫外光照射誘導(dǎo)的性能自修復(fù)和陽極材料電荷容量匹配優(yōu)化兩個(gè)方向取得進(jìn)展，為高性能、長壽命電致變色智能窗的實(shí)用化落地提供支撐。兩項(xiàng)研究成果均發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊 Advanced Functional Materials，其中，原位紫外光照射實(shí)現(xiàn)電致變色性能的修復(fù)該項(xiàng)工作被遴選為當(dāng)期封面。
 

　　通過原位紫外光照自修復(fù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)器件工況下性能自愈
 

　　電致變色技術(shù)可動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)材料與器件的透過率和吸收率等特性，在偽裝、低頻顯示及建筑/汽車節(jié)能等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。其中，非晶WO3作為典型陰極電致變色材料，可通過Li+等離子的可逆嵌入與脫出實(shí)現(xiàn)光學(xué)調(diào)控。然而，長期循環(huán)過程中離子會(huì)逐漸 “滯留” 于材料內(nèi)部，導(dǎo)致光學(xué)調(diào)制能力下降和器件性能衰減，嚴(yán)重限制其實(shí)際應(yīng)用壽命。此前報(bào)道的恒電流、恒電壓以及“紫外光+偏壓”等恢復(fù)方法雖能實(shí)現(xiàn)單層薄膜材料的性能恢復(fù)，但通常需要長時(shí)間施加高偏壓，引發(fā)電解質(zhì)分解并損傷器件對(duì)電極，因此難以在器件體系中兼容。
 

　　針對(duì)這一問題，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)展出一種工況下紫外光照誘導(dǎo)的性能恢復(fù)策略：在器件正常工作循環(huán)過程中同步引入紫外光照射，使衰減的WO3在運(yùn)行過程中實(shí)現(xiàn)自發(fā)性能恢復(fù)。研究發(fā)現(xiàn)，紫外光照射產(chǎn)生的光電流能夠促進(jìn)“滯留”在基體中的離子(以正交相Li2WO4形式存在)釋放，從而恢復(fù)WO3的電致變色活性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，明顯衰減的WO3薄膜在原位紫外光輔助下經(jīng)過數(shù)十圈循環(huán)即可恢復(fù)初始光學(xué)調(diào)制能力。進(jìn)一步研究還揭示了恢復(fù)過程中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)演化機(jī)制：適度紫外照射可促進(jìn)正交相Li2WO4分解，而持續(xù)照射則會(huì)誘導(dǎo)形成六方相Li2WO4納米晶導(dǎo)致材料永久失活。因此，紫外光照需在器件性能恢復(fù)后及時(shí)停止。相比傳統(tǒng)后處理方法，該策略無需長時(shí)間高偏壓即可實(shí)現(xiàn)快速修復(fù)，在器件中完全兼容。
 

　　該策略在WO3/NiO電致變色器件中驗(yàn)證了其兼容性。在405 nm光照輔助下，衰減的器件能夠在工作過程中恢復(fù)光學(xué)調(diào)制性能，并保持較慢的后續(xù)衰減速率。掃描電子顯微鏡結(jié)果表明，原位恢復(fù)過程不會(huì)損傷對(duì)電極，而傳統(tǒng)“紫外光照+偏壓”的方法則會(huì)導(dǎo)致對(duì)電極薄膜剝離和器件快速失效，證明該策略能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)完整器件的安全修復(fù)。同時(shí)，該方法在TiO2等其它陰極電致變色氧化物中同樣有效，為構(gòu)建超長壽命電致變色器件提供了新的理論依據(jù)與技術(shù)路線。
 

　　該成果以“In Operando Ultraviolet Illumination Enables Self-Healing Electrochromic Response”為題，在線發(fā)表于國際期刊 Advanced Functional Materials，南方科技大學(xué)材料科學(xué)與工程系2021級(jí)碩士研究生周琴琪(現(xiàn)為瑞典隆德大學(xué)博士生)與2024級(jí)碩士研究生田欣雨為論文共同第一作者，溫瑞濤為論文通訊作者，南方科技大學(xué)為論文第一單位。論文作者還包括南科大材料系2023級(jí)博士生邵佩佩、2022級(jí)碩士研究生殷夢(mèng)涵(已畢業(yè))、2023級(jí)碩士研究生張丞漢。該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、量子功能材料全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、廣東省信息功能氧化物實(shí)驗(yàn)室等支持。
 

　　通過擴(kuò)散控制電致變色陽極實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)型電致變色器件中的電荷平衡設(shè)計(jì)
 

　　目前，主流的WO3/NiO互補(bǔ)型電致變色器件存在明顯短板：陰陽極電荷容量不匹配，長期循環(huán)下易出現(xiàn)陽極性能衰退、鋰離子俘獲等問題，造成器件性能快速衰減。同時(shí)，傳統(tǒng)磁控濺射工藝制備的LiCoO2薄膜存在鋰元素?fù)]發(fā)缺失的問題，極易生成Co3O4雜相，嚴(yán)重制約其作為電致變色陽極的應(yīng)用。
 

　　針對(duì)以上痛點(diǎn)，研究人員采用Li2O與LiCoO2雙靶共濺射的鋰補(bǔ)充策略制備層狀鈷酸鋰薄膜。該工藝可有效補(bǔ)償濺射過程中損失的鋰元素，消除Co3O4有害雜相，顯著提升薄膜結(jié)晶度與層狀結(jié)構(gòu)完整性，優(yōu)化鋰離子嵌脫可逆性。研究團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)開展多維度電化學(xué)對(duì)比表征：隨薄膜厚度增加，LS-LiCoO2電荷容量線性穩(wěn)定提升，而傳統(tǒng)NiO容量增長受限，實(shí)現(xiàn)與WO3陰極精準(zhǔn)電荷平衡；不同掃速CV與動(dòng)力學(xué)b值擬合證實(shí)，LS-LiCoO2遵循層間鋰離子體相擴(kuò)散機(jī)制(b ≈ 0.51)，NiO 則為表面贗電容主導(dǎo)動(dòng)力學(xué)(b ≈ 0.9)。阻抗測(cè)試進(jìn)一步證明，LS-LiCoO2擁有更優(yōu)異的界面離子傳輸可逆性。二者性能存在固有權(quán)衡：NiO調(diào)光響應(yīng)更快，但LS-LiCoO2從根源解決陰陽極電荷失衡帶來的器件長周期劣化難題。
 

　　團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步組裝完整LS-LiCoO2/WO3互補(bǔ)電致變色器件，開展光學(xué)、循環(huán)耐久與車載場(chǎng)景驗(yàn)證。該器件覆蓋全可見光-近紅外光譜連續(xù)調(diào)光，著色色彩穩(wěn)定可控；在±1.5 V最優(yōu)電壓窗口下完成千次循環(huán)，光學(xué)調(diào)制衰減甚微，穩(wěn)定性顯著優(yōu)于同體系NiO/WO3器件。結(jié)合深圳日間溫度、太陽輻照實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，團(tuán)隊(duì)完成車載天窗熱管理仿真，為汽車節(jié)能溫控、長壽命智能調(diào)光器件開發(fā)提供全新可行方案。
 

　　該成果以“Charge-balance design in complementary electrochromic devices enabled by a diffusion-controlled electrochromic anode”為題，在線發(fā)表于國際期刊 Advanced Functional Materials，南方科技大學(xué)材料科學(xué)與工程系23級(jí)碩士生高爾為論文第一作者，溫瑞濤為論文通訊作者，南方科技大學(xué)為論文第一單位。論文作者還包括四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院2025級(jí)研究生段洲杰、南科大材料系科研助理孫佳偉、南科大2022級(jí)碩士研究生殷夢(mèng)涵(已畢業(yè))、四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院教授孫弘歷。該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金和廣東省信息功能氧化物實(shí)驗(yàn)室等支持。
 

　　引用：南科大溫瑞濤團(tuán)隊(duì)在長壽命電致變色器件研究方面取得進(jìn)展 南方科技大學(xué) 【引用時(shí)間：2026年7月15日】