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【文章信息】
基于 I0/CuI 转化反应的高容量和自修复电致变色体系
第一作者：孟凤姣、李孟晗
通讯作者：康利涛*，钟俊森*
单位：烟台大学，南京航空航天大学分析测试中心
随着智能电子产品的快速发展，具有多种功能性的新型电源受到越来越多的关注。电致变色储能器件由变色储能电极和电解质构成，能够在存储电能的同时，实现外观颜色的可逆转变，在智能电子产品中具有广阔应用前景。目前开发的变色储能电极大多具有优异的变色性能，但电荷存储容量通常较低（一般在3~ 19 μAh cm-2之间），限制了器件性能的提升。因此，开发兼具高电荷存储容量和优异电致变色性能的电致变色电极就显得尤为重要。
近日，烟台大学康利涛教授团队在Chemical Engineering
Journal上发表了题为“A high-capacity and self-healable electrochromic system based on I0/CuI
conversion reaction”的研究论文。该论文基于I0/CuI氧化还原电对开发了一种具有性能自修复能力的高容量电致变色电极，在实现无色透明到深棕色之间可逆颜色转变的同时，还可以提供高达246.7 mAh g-1的电荷存储容量。为了提高循环稳定性，在该电极中引入了P10（聚季铵盐-10）多功能粘合剂，既可以通过季铵官能团有效吸附多碘离子中间产物，防止变色活性物质流失，又可以提升电极的结构稳定性。此外，通过降低施加在电极上的还原电位，还可以激活体系中的CuI/Cu电对，利用生成的金属Cu与残余I0物种的自发反应，促进I0物种向CuI转化（2Cu + I2→2CuI, 2Cu + I3- →2CuI + I-），实现了变色性能的原位修复。得益于以上创新设计，该电极获得了优良的电致变色性能（着色时间：14s，褪色时间：5s；500 nm光调制幅度73%；150次循环后变色性能无衰减）和储能性能（10 A g-1电流密度下电荷存储容量高达246.7 mAh g-1，10000次充放电循环后，容量保持率69.7%）。
要点一：基于I0/CuI转换反应的电致变色体系
CuI（碘化亚铜）是人类制备的第一种透明导电材料，具有透明度高、电导率好、环境稳定性高（在自然界中可以碘铜矿形式存在）等优点。更为重要的是，CuI还具有优良的电化学活性，可以发生CuI ↔ I0可逆转换反应，生成棕色I0物种（如I2，I3-等）。因此，基于I0/CuI电对，有望实现无色透明到棕色之间的可逆颜色转变。 ![]()
图1.（a）I0/CuI体系的变色原理图；（b）CuI电极的循环CV曲线；（c-d）CuI电极在不同反应状态的光学照片和吸光度曲线。
要点二：粘结剂设计和原位自修复机制提升电极循环稳定性
在碘基电极当中，多碘离子中间产物的穿梭效应是制约电化学性能提升的关键难题。本文首先在电极中引入了ITO透明导电纳米颗粒作为添加剂，提升电极中的电子传输效率。然后，在电极中进一步引入P10（聚季铵盐-10）粘结剂，在提升电极结构稳定性的同时，巧妙利用其季铵官能团对多碘离子的吸附特性，有效防止变色活性物质的流失，显著提升了变色反应的可逆性和循环稳定性。此外，通过电化学分析发现，将电极的还原电位降低至0.2 V，还可以进一步激活体系中的CuI/Cu电对，生成金属Cu。金属Cu可以和I0物种会发生自发氧化还原反应，促进残留I0物种向CuI转换（2Cu + I2→2CuI, 2Cu + I3-→2CuI + I），从而实现电致变色性能的原位自修复，显著提升电极反应可逆性和循环稳定性。
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图2.（a）CuI-P10-ITO电极在0.4
-1.8 V电压范围内的CV曲线；（b）CV循环前后电解液的吸光度曲线；（c）不同施加电压对CuI-P10-ITO电极变色性能的影响；（d）电极变色和性能自修复机理图。
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图3.CuI-P10-ITO电极在自修复模式下的电化学和电致变色特性：（a）CV曲线；（b）变色前后的透光率曲线和颜色状态；（c）透光率变化曲线和变色速度；（d）着色效率拟合曲线；（e）变色循环稳定曲线；（f）10 A g-1电流密度下的电压和透光率变化曲线（测试波长500 nm）；（g-h）器件放电特性展示。
要点三：电致变色器件兼具优异的储能特性
在该变色电极中，CuI活性物质不仅具有优良的电化学反应动力学，而且具有很高的导电性。通过合理的电极结构和工作模式设计，该电极在与锌负极匹配后，还展示了优异的倍率性能、电荷存储容量（10 A g-1电流密度下容量高达246.7 mAh g-1）和循环稳定性（10000次循环后容量保持率69.7%）。
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图4.CuI-P10-ITO/Zn电池的储能性能：（a）CV曲线；（b）GCD曲线；（c）倍率性能；（d）循环性能；（e）不同循环次数后的GCD曲线。
A high-capacity and self-healable electrochromic system based on I0/CuI conversion reaction” https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.157375
【通讯作者简介】
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康利涛
本文通讯作者
烟台大学 副教授
▍主要研究领域
智能节能玻璃与锌离子储能器件。
▍主要研究成果
中科院工学博士，烟台大学环境与材料学院副教授、硕士研究生导师，中国感光学会电致变色分会青年委员，长期从事智能节能玻璃与锌离子电池相关研究，2020-2024年连续入选斯坦福大学全球前2%科学家榜单；研究工作获得国家自然科学基金、省自然科学基金、国家重点实验室开放基金、中国博士后基金等多个科研项目支持，在Advanced Energy Materials, Nano-Micro Letters, Small,
Solar RRL等期刊发表SCI论文80篇，研究工作被包括Nature, Nature Materials Review, Nature Reviews Chemistry在内的领域知名杂志引用6000余次；担任AM, Angew, Material Today, ACS Nano, NML, AFM等30余个学术杂志审稿人或仲裁审稿人；获国家发明专利授权10余项，培养硕士研究生国家奖学金6人，荣获山东省自然科学二等奖、山西省自然科学二等奖省、中国无机材料测试与评价年会学术交流一等奖等多项科研奖励。个人简介网址：https://emc.ytu.edu.cn/info/1126/1717.htm
▍Email：kanglitao@ytu.edu.cn
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钟俊森
本文通讯作者
南京航空航天大学 博士研究生
▍主要研究领域
电致变色材料与器件，透射电子显微学。
▍主要研究成果
烟台大学环境与材料工程学院2021级硕士研究生，导师康利涛教授，现为南京航空航天大学分析测试中心2024级博士研究生。主要研究方向为高稳定电致变色材料与器件的开发与电镜应用的相关研究。以第一作者身份分别在Nano Research（中科院一区， IF=9.89）、Chemical Engineering Journal（中科院一区， IF=15.1）上发表SCI论文各一篇，以通讯作者身份在Chemical Engineering Journal（中科院一区， IF=13.3）发表论文一篇，参与专利申请2项。
▍Email：zhongjunsen@nuaa.edu.cn
【第一作者介绍】
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孟凤姣
本文第一作者
烟台大学硕士研究生
▍主要研究领域
电致变色材料与器件。
▍主要研究成果
烟台大学环境与材料工程学院2023级硕士研究生，主要研究方向为高稳定电致变色材料与器件的开发。以第一作者身份在Chemical Engineering Journal（中科院一区， IF=13.3）上发表SCI论文一篇。
▍Email：mengfengjiao0223@163.com
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李孟晗
本文共同第一作者
烟台大学硕士研究生
▍主要研究领域
电致变色材料与器件。
▍主要研究成果
烟台大学环境与材料工程学院2022届硕士研究生，主要研究方向为电致变色材料与器件。以共同第一作者身份在Chemical Engineering Journal（中科院一区， IF=13.3）发表SCI论文一篇。
▍Email：leemh2053@163.com
