轉自高分子科學前沿

電致變色智能窗 ！

室內溫度 控制占 建筑物能耗的一半。電致變色智能窗 (ESW)能夠主動控制光和熱的傳輸，從而按需控制室內溫度，從而提高建筑物的能源效率。然而，ESW的實施在色彩中性、長期耐用性、有效回收性和 可 集成性方面仍面臨挑戰。一些商用有機ESW已經投入使用，但如何利用性能更優的無機ESW來提高建筑能源效率仍需進一步研究。

鑒于此， 山東大學 李海增教授 （ 2024年8月逝世， 終年 34歲 ） 、 中國海洋大學 陳經緯 教授以及 加拿大阿爾伯塔大學 Wu Zhang 探討 了 電致變色智能窗 (ESW)的工作模式、組裝方案和實施方法 。ESW有效性和運行的關 鍵因素包括材料選擇以及電化學和光學工藝 。此外， 他 們主張 在無機ESW中使用雙波段調控和可逆金屬沉積技術 。替代透明導體 （例如碳納米管、石墨烯和金屬網格）、增材制造方法、高集成度和可改造的電致變色薄膜，可以克服成本效益、可擴展性和耐用性等問題，從而實現更高效、更廣泛應用的無機 ESW。 相關研究成果 以題為“ Inorganic electrochromic smart windows for advancing building energy efficiency ” 發表在最新一期 《 Nature Reviews Clean Technology 》上。

李海增，男，出生于1990年3月4日，山東大學能源與動力工程學院教授、博士生導師、碩士生導師，2021年3月入職山東大學，學科方向為：凝聚態物理、工程熱物理。

李海增還是SID顯示未來之星青年領袖，青年泰山學者，首屆山東省海外優青項目獲得者，獲得Nanoscale新銳科學家獎，Microsystems & Nanoengineering 優秀青年科學家獎，Wiley中國開放科學2022年度作者獎，任國產期刊Nano-Micro Letters (IF: 26.6)、Energy & Environmental Materials (IF: 15)、Materials Research Letters (IF:8.3)、Nano Materials Science (IF: 9.9)、Advanced Powder Materials (預計首個IF>10)、Frontiers of Physics (教育部主管、高等教育出版社主辦期刊, IF:7.5)青年編委。

李海增博士畢業于東華大學纖維材料改性國家重點實驗室科技部重點領域創新團隊、教育部創新團隊(負責人：朱美芳院士)，師從王宏志教授。

李海增攻讀博士學位期間獲東華大學優博訪學資助作為交換生加入美國國家發明家科學院院士、ACS Energy Letters副主編Pooi See Lee院士課題組進行聯合培養。

近五年，李海增以一作或通訊作者在Joule、Advanced Materials (3篇)、Light: Science & Applications、Materials Today、Advanced Functional Materials (3篇)、ACS Energy Letters、Advanced Energy Materials、Advanced Optical Materials、Nano-Micro Letters、Nano Energy、Nanophotonics、Nanoscale Horizons、ACS Applied Materials & Interfaces等主流雜志發表學術論文30余篇，其中多篇當選ESI熱點論文和高被引論文。此外，李海增教授獲授權中國發明專利3項，美國專利1項。

本文獻給 2024 年 8 月去世的作者李海增，他是一位熱情的朋友、一位好同事、一位富有創新精神的研究人員和一位熱情的學者，他將精力投入到電致變色領域十多年，為這個領域做出了巨大貢獻。他通過創造和領導了鋅負極基電致變色器件的開發，并加快電致變色器件在智能窗戶和顯示器中的應用。他的離開是一個巨大的損失，電致變色 領域將深情地記住他。

【 背景 】

智能窗按響應 刺激類型可分為：光致變色、熱致變色、液晶調光及電致變色 。其中， 電致變色窗因其 可控性強、能耗低、雙穩態等優點被廣泛看好。與液晶或懸浮顆粒設備需持續供電不同， ESWs僅需施加短時電壓即可 實現長 時間調控。

然而，目前仍面臨顏色失真、耐久性差、生產成本高、可回收性差等挑戰。文章指出，相較于有機材料，無機 電致變色智能窗（ESWs） 在光學性能、循環穩定性和雙波段調控方面更具潛力，是未來研究與應用的重要方向。 ESW由EC裝置、透明玻璃和密封于其間的氣體間隙組成（圖1a）。ESW可以獨立控制可見光和近紅外光的透射，從而實現亮、冷、暗三種模式的雙波段功能。在亮模式下，ESW在可見光至近紅外波段保持高透明度（圖1b）。在冷模式下，它們允許可見光透射，但阻擋近紅外光（圖1c）。在暗模式下，它們會同時阻擋可見光和近紅外光（圖1d）。

圖 1. 電致變色智能窗的光和熱調節機制

【 ESWs 的設計 】

高性能 ESW的設計需涵蓋電化學、材料科學、器件工程等多學科知識。關鍵性能指標包括： 透光率變化（ ? T）大于60% ； 顯色指數（ CRI）大于90 ； 響應時間少于 1分鐘 ； 工作電壓低于 5伏 ； 循環壽命達到 25,000–50,000次，對應使用壽命20–30年 。

文章討論了 三種主要的 ESW器件結構 （見圖2）： （1） 傳統結構 EC器件 ：基于 離子插層機制 （如WO ? ），但由于 需厚儲 離層，初始透光率較低，結構較復雜。 （2） 金屬陽極型 EC器件 ：簡化結構，提高能效，例如基于 鋅 陽極的設備，已實現面積達80cm2， ? T為67.2%，著色時間3.6秒，褪色時間2.5秒。 （3） 可逆金屬電沉積（ RMED）器件 ：通過金屬沉積與溶解控制光學性能，結構簡單，覆蓋可見和紅外波段，適用于動態窗與輻射冷卻。

關鍵材料包括： （1） 無機電致變色材料 ：如 WO ? 、 TiO ? 、 Nb ? O ? ，具有良好的穩定性與調光能力。 （2） 有機材料 ： 如紫精類 、聚苯胺，色彩豐富、 響應快 但穩定性差。 （3） 電解質 ：準固態電解質（ QSE）兼具液態與固態優點，性能穩定。 （4） 透明導電電極（ TCEs） ：傳統ITO/FTO成本高、脆性強，替代材料如石墨烯、金屬納米線、PEDOT:PSS更具商業化潛力。 文中還以 Box1形式系統列出了性能指標計算方法，如顯色效率、響應速率等。

圖 2 . 不同電致變色裝置的配置

【 ESWs 的節能實現 】

2021年全球ESW市場價值為26.4億美元，預計到2028年將增長至 66.5億美元。ESWs可為建筑HVAC系統節省 6–15%的能耗。在新加坡、開羅等熱帶城市，RMED型智能窗可節省高達19.7%的年HVAC能耗；而在冰島等寒冷地區節能則僅為0.3%。 圖 3與圖4展示了實際應用照片和全球15個城市的模擬節能數據，最高年節能量達654.1MJ/m2。

傳統 ESWs顏色偏深藍，顯色指數低，影響室內色彩還原。通過Ti和Mo摻雜WO ? ，或采用 NiMoO ? 材料，可實現中性調色和高 ? T（如 NiMoO ?? T為86.8%）。RMED中 CuBi 電沉積器件可達 ? TVIS=0.76，紅外反射率>70%，透光率<0.001%。

關于 技術整合： （1） 能量存儲 ：部分 ESWs具有電致變色與儲能雙功能，例如能量密度20.21μWh/cm2。 （2） 太陽能電池 ：與太陽能電池集成可實現自供電窗口或為 LED等小設備供電。 （3） 物聯網（ IoT） ：通過傳感器控制ESW的透明度，在六座伊朗城市模擬顯示IoT-ESWs總體節能效果良好。 （4） 可翻新薄膜技術 ：可直接貼附在現有窗戶表面的 EC薄膜，便于升級舊建筑。其成本低（約110美元/m2），切割性強，響應時間短（2–3秒）， ? T超過80%。提供了良好的商業化可行性。

圖 3. 真實電致變色智能窗的照片

圖 4. 電致變色智能窗戶帶來的節能效果

【總結與未來展望】

電致變色智能窗在提高建筑能效方面展現出巨大潛力，特別是雙波段無機 ESWs因其耐久性強、色彩中性和光學對比度高，成為研究熱點。然而， 實現大規模應用仍面臨： （1）提高循環壽命至十萬次以上；（2）降低材料與生產成本（如替代 ITO） ；（3）推進卷對卷、低毒溶劑、可持續油墨等工藝；（4）優化封裝與回收機制 。

文章指出， 應簡化結構設計、推廣可翻新薄膜、發展大面積涂布技術以降低成本 。以 Zn陽極和QSE為代表的可回收設計亦是關鍵方向。展望未來， ESWs有望廣泛應用于智能建筑、汽車、電子產品等領域，成為全球碳中和戰略的一部分。