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德克萨斯大学奥斯汀分校余桂华教授团队与广工刘全兵教授课题组Chem. Soc. Rev.：功能凝胶材料推动电致变色技术创新与应用

能源学人 · 公众号 · · 2025-03-14 09:36

正文

【研究背景】

柔性、可穿戴、节能显示、可视化储能设备以及基于电致变色（EC）技术的大面积智能窗户被认为是极具前景的可持续显示技术，能够通过低能耗、智能显示和节能建筑方案提升人们的生活质量。近年来，基于凝胶的电致变色器件因其独特的优势受到了广泛关注，并成为EC应用的重要平台。与固态和液态EC器件相比，凝胶基EC系统在可加工性、机械柔性（如可拉伸性）以及高离子导电性方面表现优异，同时避免了泄漏和挥发性等问题。

【内容简介】

本综述总结和分析了EC系统中的凝胶化学，重点探讨了凝胶特性（如离子导电性、温度适应性、机械性能）与EC设备性能之间的关系。文章介绍了EC凝胶材料的制备方法，并探讨了形貌、网络结构、聚合物骨架、功能基团和添加剂对其性能的影响。此外，还回顾了基于凝胶电解质的EC设备在显示领域的代表性应用，并深入分析了其实际应用所面临的挑战和未来发展方向。

【本文要点】

要点一：为推动电致变色器件（ECDs）的产业化，当前研究重点在于开发具有优异性能的ECDs，以满足多样化应用需求。ECDs的性能不仅受电致变色材料的固有特性影响，还与电解质的性质密切相关。电解质在离子传输过程中起关键作用，影响EC材料的结构异构、界面电子转移、扩散行为及器件的机械性能。这些影响受凝胶聚合物骨架、功能基团、微环境极性及凝胶网络结构的调控。本研究聚焦于与凝胶电解质密切相关的关键EC性能指标，并深入分析这些参数与凝胶材料特性的关系，同时提出优化凝胶电解质以提升ECD性能的策略。

图1. 概述凝胶结构与电致变色性能之间的关系，重点介绍凝胶在EC器件中的作用、制备方法以及优化凝胶结构以提升EC性能和应用的策略。

图2. 利用凝胶材料增强EC器件双稳态特性的策略。

图3. 利用凝胶材料增强EC器件自修复性能的方法。

图4. 凝胶结构与EC器件热稳定性的关系。

要点二：探讨凝胶电解质的制备方法及其在EC系统中的作用，重点分析物理/化学交联凝胶电解质及“一体化”EC凝胶的最新进展。

图5. 凝胶电解质的制备：物理交联与化学交联以及“一体化”EC凝胶的开发。

要点三：探讨通过调控凝胶材料的形貌、网络结构、聚合物骨架、功能基团、添加剂来实现对电致变色性能的优化和调控。

图6. 调控凝胶材料形貌以增强EC性能。

图7. 调节凝胶中的聚合物骨架和功能基团以优化EC性能。

要点四：探讨凝胶材料在柔性、可穿戴、图案化EC显示以及可视化储能设备中的应用和研究进展。

图8. 凝胶材料在柔性EC显示中的应用。

图9. 凝胶材料在图案化EC显示中的应用。

图10. 凝胶材料在可穿戴EC显示中的应用。

图11. 结合EC凝胶体系的可视化储能装置。

【研究结论】

本综述强调了凝胶材料在电致变色技术发展中的关键作用，重点探讨了凝胶结构与EC器件性能的关系、制备方法、结构优化策略，以及基于凝胶的EC材料和器件的最新进展。这些发展核心在于深入理解凝胶化学及其聚合物骨架上的功能基团、电解质离子与电致变色分子之间的相互作用机制，这一点对于揭示材料的结构-性能关系至关重要。这一认识为开发更先进的凝胶材料及其在EC技术中的实际应用提供了理论基础。同时，文章关注器件工程和系统优化，以适应不同的应用场景。本综述总结了当前研究中尚未充分探索的关键问题，并指出未来创新方向，以促进EC设备从理论研究向实际应用的转化，加速电致变色技术的产业化进程。

【通讯作者简介】

刘全兵，教授，博士生导师，广东省“珠江学者”特聘教授。具有较丰富的锂离子电池工程开发经验，近年来围绕新能源化工研究方向，重点开展电化学能源存储和转换方面的研究，主要涉及锂/锂离子电池、电催化/燃料电池等。主持开发了多种型号锂离子电池产品，并得到实际应用，获得广东省科学进步二等奖（排名第一）。迄今，在Nat Commun., Angew. Chem., Adv. Mater., AIChE J., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Energy Environ. Sci., Chem. Eng. Sci., Appl. Cata. B, ACS Nano, Nano Lett., Renewables等国际知名发表SCI学术论文140多篇，授权发明专利24项，承担了多项国家级科研项目。

余桂华教授，2003 年毕业于中国科技大学化学系，取得学士学位并获本科生最高奖“郭沫若奖学金”。2009 年于哈佛大学获得博士学位，后在斯坦福大学开展博士后研究工作。2012 年加入德克萨斯大学奥斯汀分校，现为该校材料科学系与机械工程系的坦普尔基金会讲席教授 (Temple Foundation Professor)。研究重点是功能性纳米结构材料的创造性设计与合成（特别是有机和杂化纳米材料），对其化学和物理性质的基础性认识，以及发展纳米科学解决方案以应对先进能源、环境和可持续性技术方面的全球性挑战。

德克萨斯大学奥斯汀分校余桂华教授团队与广工刘全兵教授课题组Chem. Soc. Rev.：功能凝胶材料推动电致变色技术创新与应用

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