视觉与能量的融合：当能量“会变色”：解耦合 TiO₂/紫精杂化材料实现高效高容可视化储能

研究背景

随着智能可穿戴设备、柔性电子与智能建筑的快速发展，能够同时实现能量存储与视觉显示的多功能能源器件逐渐成为研究热点。电致变色储能器件（Electrochromic Energy Storage Devices, EESDs）因能够在充放电过程中实现颜色变化，从而实现能量状态的可视化显示，被认为是兼具实用性与交互性的下一代能源系统。然而，传统电致变色材料和储能材料在体系中往往相互耦合，难以同时实现高变色效率与高能量容量。此外，许多有机分子电致变色体系（如紫精）在工作过程中会发生自由基二聚，导致器件性能衰退。因此，如何通过结构设计实现电致变色与储能行为的有效调控与协同，成为发展高性能 EESDs 的关键科学问题。通过在分子与界面层面合理设计无机储能骨架与有机变色单元之间的结构连接与电子通道，可在保持体系稳定性的同时，实现两种功能的去耦合与协同，从而为高效率、高容量的电致变色储能器件提供新的设计思路。

研究进展

本研究提出了一种去耦合的二氧化钛/紫精衍生物（TiO₂/TGP）杂化材料体系，实现了电致变色与储能功能的分离与协同。研究通过在 TiO₂ 纳米多孔膜表面引入含磷酸基团的紫精衍生物，并通过 P–O–Ti 键实现化学连接，构筑稳定的杂化电极界面。TiO₂ 作为无机储能载体，承担 Zn²⁺ 离子的嵌入与脱出；TGP 分子则通过电子转移实现可逆变色，从而在同一电极上实现独立的能量存储与光学响应。该体系在水系 Zn²⁺ 电解质中表现出优异的性能，变色效率达 512.93 cm²/C，面积比容量为 62.2 mAh/m²，光学对比度为 54%，在 3000 次充放电循环后仍保持稳定。通过在 TGP 分子中引入噻吩基团，材料的能隙被有效调控，抑制了自由基二聚反应，使器件在充放电过程中呈现鲜艳稳定的洋红色态，并实现了能量状态的可视化反馈。

未来展望

该去耦合策略为构建兼具高能量密度与高色彩性能的电致变色储能器件提供了新思路。未来研究可进一步优化杂化界面的电子耦合效率与离子传输通道，以提升能量利用率与色变响应速度。在应用层面，该体系具备良好的环境友好性与可扩展性，有望应用于智能窗、可穿戴电子、信息显示及自供能系统中，实现能量状态的可视化监测与动态调控。此外，通过与柔性电极、全固态电解质及多色有机分子体系结合，可望构建多功能、可集成的视觉能源器件，为未来智能化、交互式能源系统的发展奠定基础。

原文链接：https://spj.science.org/doi/10.34133/research.0909