基于纳米片协调结构的电致变色超级电容器：具有高能量存储能力、优异的开关耐用性以及长时间的光学记忆特性

《ACS Applied Materials & Interfaces》：Coordination Nanosheet-Based Electrochromic Supercapacitor with High Energy Storage, Switching Durability, and Long Optical Memory Properties

本研究成功制备了基于非共轭配体协调纳米片（Fe-3TPY）和镍六氰合铁酸盐（NiHCF）的混合电致变色超级电容器（ECESD）。该器件在556 nm处展现出57.4%的高光学对比度，1.28秒（着色）和1.69秒（消色）的快速开关时间，619 cm2C?1的高着色效率，以及3.6 mJ/cm2的超低能量消耗。器件在50,000次EC循环中保持稳定性能，36小时自放电后仅保留33.3%的光学对比度，展现出优异的长循环稳定性和光记忆效应。其体积电容达248.1 F/cm3，能量密度29.37 mW·h/cm3，功率密度7.5 W/cm3，为柔性可穿戴设备提供了高效能量存储与状态指示解决方案。

　　在当前的研究中，科学家们开发了一种结合高性能能量存储与光学功能的新型电致变色超级电容器（ECESD）。这种设备由一种非共轭配体组成的铁（II）-三三苯基吡啶（Fe-3TPY）作为阳极，以及镍六氰化铁（NiHCF）作为红ox互补的阴极组成，其核心机制是通过Li?离子的插入/提取和ClO??的掺杂/脱嵌，实现电致变色与能量存储的协同效应。通过使用LiClO?作为电解质，这种混合ECESD在低电压窗口下展现出优异的性能，能够实现从原始紫色到淡黄色的可逆颜色变化，并具有较高的光学对比度（57.4%在556 nm波长下），快速的颜色变化时间（1.28秒用于褪色，1.69秒用于着色），以及极高的颜色形成效率（619 cm2/C?1）。此外，这种ECESD还具有非常低的能量消耗（3.6 mJ/cm2），以及超过50,000次循环的出色颜色变化稳定性。在开放电路条件下，即使经过36小时，该设备仍能保留33.3%的光学对比度，这表明其具备良好的光学记忆特性，为高效能量存储解决方案提供了新的方向。

这种ECESD不仅具备出色的电致变色性能，还展现了卓越的能量密度（29.37 mW h/cm3）和功率密度（7.5 W/cm3），在40,000次恒电流充放电循环后仍能保持88%的初始电容。这些特性使得该设备在能量存储领域具有广泛的应用前景，特别是在智能电子设备、可穿戴设备和柔性电子器件方面。电致变色超级电容器因其能够同时实现能量状态的变化和颜色变化，而成为一种具有吸引力的多功能设备，使用户可以通过观察颜色变化直观地了解能量状态。

在电致变色超级电容器的设计中，关键的挑战在于如何在低阈值电压下实现高效的能量存储。为此，研究团队引入了非共轭配体的结构设计，以减缓电子在电极材料中的迁移速度，从而降低自放电倾向，提高光学记忆能力。同时，这种非共轭配体的使用还能够减少π-π堆叠，有助于形成具有机械柔性和低结晶性的纳米片结构，从而提升设备的稳定性和性能。通过这种方式，Fe-3TPY纳米片的合成方法能够在低电压条件下实现高效的电化学反应，使电致变色超级电容器在能量存储和光学性能之间取得平衡。

为了进一步验证这种混合ECESD的性能，研究团队对其进行了多种电化学和光学测试。包括循环伏安法（CV）、恒电流充放电（GCD）以及电化学阻抗谱（EIS）等。这些测试结果显示，该设备在不同扫描速率下表现出优异的可逆性，并且在电化学行为上具有明显的特征。此外，通过监测在不同电压下的透射率变化，研究人员发现该设备的颜色变化与电化学状态之间存在紧密的关联。例如，在+1.0 V电压下，电致变色行为使得Fe-3TPY的MLCT峰在556 nm处消失，从而导致颜色从原始粉色转变为淡黄色。这种颜色变化的可逆性表明，该设备能够在不同充放电状态下保持稳定的性能，为实际应用提供了坚实的基础。

除了电致变色性能外，该设备还展现出卓越的能量存储能力。在恒电流充放电测试中，其体积电容达到248.1 F/cm3，能量密度和功率密度分别为29.37 mW h/cm3和7.5 W/cm3。在40,000次充放电循环后，该设备仍能保持约80%的初始电容，显示出良好的循环稳定性。同时，研究人员还通过比较不同电致变色材料的性能，发现Fe-3TPY在光学记忆和能量存储方面的表现优于传统材料，如含有共轭配体的金属有机配位聚合物（MSP）。相比之下，非共轭配体的使用不仅提升了光学记忆能力，还使得电容保持更稳定，为未来的高性能能量存储设备提供了新的思路。

该研究还强调了电致变色超级电容器在可持续能源技术中的重要性。通过将电致变色功能与超级电容器的高能量密度和功率密度相结合，这种设备能够在低电压下实现高效的能量存储，同时保持可逆的颜色变化。这不仅有助于减少能源消耗，还能够提高设备的使用寿命和稳定性。此外，研究人员还通过实际应用实验，展示了该设备在智能窗户中的潜力。例如，通过将多个ECESD串联，可以有效驱动LED灯板，实现光的调控和照明。这种基于颜色变化的能量存储系统为未来的可视化能源管理系统提供了新的可能性。

综上所述，这项研究不仅推动了电致变色超级电容器的发展，还为可持续能源技术提供了新的方向。通过结合非共轭配体和红ox互补电极材料，研究人员成功实现了高性能能量存储与光学功能的结合，使得这种设备在低电压下表现出优异的性能。这种创新的设计为未来的智能电子设备和可穿戴设备提供了新的解决方案，同时展示了电致变色超级电容器在实际应用中的巨大潜力。随着进一步的研究和技术进步，这种设备有望在更广泛的领域中得到应用，为能源存储技术的发展带来新的突破。