电致变色技术在智能窗、低功耗显示等领域应用前景广阔。电解质作为电致变色器件的核心组分，承担着离子传导与隔离电极的双重功能，影响器件的响应速度与安全性。聚合物电解质虽安全性高，但离子电导率与机械性能难以兼得。向聚合物基体中引入高长径比的陶瓷氧化物纳米填料，是缓解这一矛盾的有效策略，不仅能够构建连续的界面网络、促进离子快速传输，还能作为支撑骨架增强电解质的机械稳定性。
近日，清华大学张如范副教授团队在期刊《ACS Nano》上，发表了最新研究成果“An Inorganic Fiber–Polymer Composite-Based Quasi-Solid Electrolyte for High-Performance Electrochromic Devices”。研究者通过静电纺丝和聚合物电解质复合工艺，制备出以SiO2纳米纤维膜为支撑骨架的复合准固态电解质。与纯PMMA基电解质相比，所得复合电解质的离子电导率和机械稳定性显著提升，这得益于SiO2纳米纤维与聚合物共同构建的连续离子传输网络。
此外，该电解质界面稳定性良好，与WO3、V2O5电极兼容性优异，且在可见光区保持较高的透明性。基于此电解质的电致变色器件实现了0.96秒着色、0.80秒褪色的快速响应，并具有稳定的循环性能和断电记忆特性。进一步地，两个串联器件成功驱动绿色LED发光，展示了其在储能-释能方面的应用潜力。
图1：复合准固态电解质的制备过程及其微观结构示意图
该电解质由具有三维网络结构的静电纺丝SiO2纳米纤维膜与PMMA基聚合物电解质复合而成，如图1所示，SiO2纳米纤维膜骨架为PMMA基电解质提供结构支撑与机械稳定性，纤维表面附近的PMMA链构象发生改变，形成有利于锂离子传输的界面区域。与存在泄漏风险的液态电解质及工艺窗口窄的原位聚合固态电解质相比，本工作的复合电解质展现出显著的综合优势。
图2：SiO2纳米纤维膜和复合准固态电解质的形貌与结构表征
本研究制备的复合电解质，其微观形貌与物化性质如图2所示。SiO2纳米纤维膜具有均匀的三维网络结构，与PMMA基电解质复合后，聚合物充分浸润并包覆纤维网络，形成均匀的互穿结构。SiO2纤维网络不仅增强了电解质的热稳定性和机械强度，还赋予了其良好的结构完整性。与纯PMMA基电解质相比，该复合电解质的结构稳定性和热稳定性均显著提升。同时，复合电解质在可见光区保持了良好的光学透过率。
图3：复合准固态电解质的电化学性能与模拟计算
复合电解质的电化学性能及离子传输机制通过系统表征与模拟得到证实。电化学阻抗谱显示，其离子电导率显著优于纯PMMA基电解质，且在−20 °C至40 °C的宽温度范围内保持优异性能。密度泛函理论计算与分子动力学模拟进一步揭示了离子传输的微观机制，证实SiO2纤维与PMMA基体协同构建了高效的离子传输网络。
图4：基于复合准固态电解质的电致变色器件的性能
图5：基于复合准固态电解质的电致变色器件的综合性能评估与应用演示
此外，基于复合电解质的电致变色器件在不同电压下展现出从透明浅灰色至深蓝色的可逆颜色变化，其着色和褪色时间分别仅为0.92秒和0.80秒，展现出快速的响应特性。该器件在开路状态下能长时间保持着色状态，具有优异的断电记忆特性，经长期循环测试仍保持稳定的光学调制幅度。作为应用验证，两个串联器件成功驱动绿色LED持续发光，展示了该电解质平台在储能与可控释能方面的应用潜力。因此，该复合准固态电解质在智能窗、自供能系统及柔性电子等领域具有广阔的应用前景。
论文DOI：10.1021/acsnano.6c02820
人物简介：
张如范 清华大学化工系长聘副教授、特别研究员、博士生导师、国家高层次人才计划入选者、中国颗粒学会青年理事、中国化学会奖励推荐委员会委员、中国材料研究学会高级会员、中国微米纳米技术学会青年工作委员会委员、中国化工学会专业会员、中国能源学会专家委员会委员，Coatings编委、SusMat、Carbon Future、Carbon Energy、Carbon Neutralization、Particuology及Exploration青年编委。主要从事纳米碳材料以及功能纳米材料的可控制备与性能表征及应用等方面的研究，在Science、Nature Nanotechnology、Nature Sustainability、Science Advances、Nature Communications、Chemical Society Reviews、Journal of American Chemical Society、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Nano Letters、ACS Nano等期刊发表论文150篇。申请发明专利27项；撰写学术专著7部。曾获青山科技奖（2025）、中国颗粒学会自然科学奖一等奖（2024）、中国纺织工业联合会自然科学二等奖（2024）、中国石油与化学工业联合会青年创新奖（2024）、全球华人化工学者学会未来化工学者（2024）、侯德榜化工科学技术青年奖（2019）、中国化学会青年化学奖（2018）、2018年《麻省理工科技评论》中国区“35岁以下科技创新35人”（2018)、中国新锐科技人物（2018）、SusMat青年编委杰出贡献奖（2022）、教育部自然科学一等奖（2016）、清华之友-刘述礼育才奖（2021）、瑞士乔诺法（Chorafas）青年研究奖（2015）等奖励
