面向可扩展快切换电致变色器件的耐用柔性锌网阳极研究

《npj Flexible Electronics》：Durable and flexible zinc mesh anodes for scalable and fast-switching electrochromic devices

　　为解决锌阳极基电致变色器件(ZECDs)因使用不透明外围锌箔导致的电场不均匀和锌枝晶生长问题，研究人员开展了基于银-聚偏氟乙烯(Ag-PVDF)涂层锌网(AP@Zn)阳极的主题研究。该AP@Zn阳极具有高透明度(T=71.4%@633 nm)、优异耐腐蚀性和低活化能(47.59 kJ mol-1)，与普鲁士蓝(PB)、Nb18W16O93(NWO)等电致变色材料组装的器件实现了快速切换(tc/tb达2.8 s/2.6 s)、高着色效率(157.44 cm2C-1)和良好循环稳定性(500次循环后ΔT保持率93.7%)，为多功能柔性电子器件发展提供了新思路。

　　

在物联网时代，电致变色器件(Electrochromic Devices, ECDs)因其动态光调制特性和节能优势，在智能窗、可调光眼镜、非发射显示器等领域展现出广阔应用前景。特别是电致变色智能窗，可通过调控可见光和红外光谱，显著降低建筑能耗。然而，传统ECDs存在往返能量效率低的问题，而锌阳极基电致变色器件(Zinc anode-based Electrochromic Devices, ZECDs)凭借锌阳极的低氧化还原电位(-0.76 V vs. SHE)、高理论容量(820 mAh/g)等优势，可实现自发着色/漂白和能量回收，大大提高能效。但现有ZECDs多采用不透明外围锌箔，导致电场分布不均、离子通量不平衡，引起着色不均匀、响应时间延长等问题，尤其在大面积器件中更为突出。

为攻克这一难题，中国海洋大学陈靖伟团队联合中国科学技术大学陈立锋团队在《npj Flexible Electronics》发表研究，提出了一种透明、耐用且柔性的银-聚偏氟乙烯涂层锌网(AP@Zn)阳极，通过优化电极结构设计，成功实现了高性能ZECDs的构建。

研究团队主要采用电沉积结合化学置换法制备AP@Zn阳极，通过COMSOL模拟验证电场分布，利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)等表征材料形貌与组成，并通过电化学测试评估器件性能。关键样本包括普鲁士蓝(PB)、Nb₁₈W₁₆O₉₃(NWO)和钾钒氧化物(KVO)等电致变色电极。

2.1 透明锌网的制备

通过电沉积在商业铜网上制备核心壳结构锌网，锌层厚度约2.5 μm，形成微纳结构 morphology，使平均透光率从76.3%降至70.8%，但仍保持高透明度。该锌网具备优异机械变形能力，适用于柔性电子器件。

2.2 改性透明锌网的制备

针对锌网在水系电解质中稳定性差的问题，采用Ag、Cu、Sn等金属改性PVDF涂层。优化后的AP@Zn具最高腐蚀电位(-0.95 V vs. Ag/AgCl)和最大塔菲尔斜率(584.05 mV dec^-1)，活化能低至47.59 kJ mol^-1，显著提升反应动力学。XPS和SEM-EDS证实Ag、F元素均匀分布，PVDF通过C-F键增强涂层附着力。

2.3 电致变色性能分析

以PB//AP@Zn器件为例，采用K(OTF)-Zn(OTF)₂混合电解质，实现63.8%的透光率调制和快速切换(t_c/t_b=3.0 s/2.8 s)。循环1000次后ΔT保持率达96.3%，着色效率为157.44 cm²C^-1。该器件还具备能量存储功能，在0.02 mA cm^-2下面积容量达32.89 mA h m^-2。

可扩展ZECDs演示

5 cm×5 cm PB//AP@Zn器件实现55.3%的透光率调制，切换时间仅2.8 s/2.6 s。10 cm×10 cm器件采用AP@Zn阳极后切换时间(t_c/t_b=6.6 s/5.4 s)显著优于锌带阳极器件(15 s/11.4 s)。NWO//AP@Zn和KVO//AP@Zn器件分别实现44.3%的ΔT和多色显示功能。堆叠式PB//AP@Zn//KVO显示器通过颜色叠加产生六种颜色。

该研究通过理性设计AP@Zn网状阳极，成功解决了ZECDs中电场分布不均和锌阳极稳定性差的难题。AP@Zn阳极兼具高透明度、优异耐腐蚀性和快速反应动力学，与多种电致变色材料兼容，实现了快速切换、高对比度和良好循环稳定性。特别是堆叠器件呈现的多色显示能力，为智能窗、柔性电子和可穿戴设备提供了新的技术路径，推动了下一代电致变色器件向多功能、快响应和柔性化方向发展。