水系电致变色电池(ECB)是一种多功能技术，在包括节能建筑和可见光能级可穿戴电池在内的各种应用中显示出巨大的潜力。然而，由于传统电致变色材料和电解质之间的不匹配，水系ECB通常表现出较差的循环稳定性，这限制了它们的商业化。

近日，澳门大学Shuang-Peng Wang，Kar Wei Ng使用高度相容的Al³⁺/Zn²⁺基混合水性电解质展示了基于LTO的电化学系统，其具有优异的循环稳定性(> 12500次循环)、快速响应和良好的能量容量。

文章要点

1）研究人员系统地研究了LTO与各种电解质的匹配，发现含有等浓度的Al³⁺和Zn²⁺离子的电解质对LTO效果最好。详细的循环伏安研究表明，Al³⁺离子可以促进Ti离子的快速氧化和还原，这归因于它们的小离子尺寸和高电荷密度。另一方面，无色Zn²⁺离子的相对低的还原电位可以促进低电压反应过程，并防止漂白过程中不可逆地产生氢气。这种对两种离子各自作用的理解不仅有助于优化现有的基于LTO的ECB，而且为设计其他类型的混合电解质提供了重要的指导。

2）两种阳离子的共存使快速和高度可逆的氧化还原反应能够在窄的电位窗口(0-0.8V)内进行，从而有助于实现极高的循环稳定性(12500次循环零光损耗)、快速响应速度(漂白/着色为4.35 s/7.65 s)、高光学对比度(800 nm时为74.73%)、0.5mA cm^-2时为151.94 mAh^-2的出色放电容量，以及充电/放电过程中的长期稳定性(82.6%)。

3）进一步构建了LTO-Al³⁺/Zn²⁺原型器件，其显示出高光学对比度、能量恢复能力和开路记忆(10000 s，6.1%透射率损失)，表明LTO在实际应用中是一种有前途的ECB正极材料。最后，深入研究了插入离子与LTO之间的相互作用，以了解LTO-Al³⁺/Zn²⁺体系优异的光学性能和长期稳定性的来源。有趣的是，即使在多次操作循环中用Al³⁺逐渐取代Li⁺, LTO中坚固的[TiO₆]八面体骨架仍然保持化学活性，因此产生了非凡的循环稳定性。

合理设计的Al³⁺/Zn²⁺-LTO电致变色系统的性能超过了大多数最先进的水性传统氧化物基电致变色系统，可用于低成本、高安全性的水性电致变色电池的商业化。

参考文献

Zhisheng Wu, et al, Extraordinarily Stable Aqueous Electrochromic Battery Based on Li₄Ti₅O₁₂ and Hybrid Al³⁺/Zn²⁺ Electrolyte, ACS Nano, 2022

DOI: 10.1021/acsnano.2c06479

https://doi.org/10.1021/acsnano.2c06479