晁单明教授、贾晓腾教授，AFM：混合离子电子导电聚合物实现高效电致变色超级电容器

第一作者：曹宁致

通讯作者：贾晓腾，晁单明

单位：吉林大学

随着传统非可再生能源消耗引发的全球气候挑战日益严峻，节能技术研发已成为应对温室气体过量排放的关键研究目标。在众多创新解决方案中，电致变色超级电容器凭借其低电压驱动下实现颜色状态与热传输可逆调控的特性，已成为该领域的核心技术。然而，近期开发的电致变色储能系统能量密度仅达~20 μWh/cm²量级，较传统组装体系低一个数量级。这种显著的储能性能差距源于电极-电解质界面电化学动力学效率低下，叠加显著的离子浓度梯度效应，共同导致电解质离子供应不足，进而引发不可逆的电化学极化。此外，这些电极内部的离子传输动力学和电子电导率之间存在根本性的不匹配，这带来了重大的设计挑战。

近日，来自吉林大学化学学院晁单明教授与电子学院贾晓腾教授合作，在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Mixed Ionic-Electronic Conducting Polymer Enables Efficient Electrochromic Supercapacitor”的观点文章。本文创新设计并合成了混合离子电子导电聚合物，有效破解了电极内离子传输动力学与电子电导率的本质性失配难题，使器件在电致变色与储能性能上实现协同突破。

智能窗玻璃的分子结构决定了其电致变色性能和储能特性，而这些性能直接影响着光学对比度、循环稳定性和储能密度。为了优化共聚物中的电荷传输路径和氧化还原活性位点，研究人员设计了 MIECP-OI，并通过氧化偶联聚合方法合成。所有在聚合物结构中，五苯胺高度的 π 共轭体系使弱束缚电子能够通过离域的 π 轨道在组成分子内移动，也能在有足够 π-π 重叠的分子间移动。带正电荷的咪唑侧链因其吸电子能力促进了电子移动，同时还作为离子电流传导的通道。由离子迁移促进的聚合物内多余离子和电子电荷的重新分布，通常被称为掺杂。因此，MIECP-OI 呈现出三种传输机制：电子传输、离子传输和电子-离子耦合传输。广泛相互连接的分子内电子/离子双通道传输系统能够实现良好的氧化还原反应动力学，可协同增强电致变色-储能性能。该研究采用Huggins法结合德拜等效电路模型测定电子电导率，通过传输线等效电路模型获取离子电导率。随着电位升高，MIECP-OI的电子电导率从1.87×10^-3 S/cm显著提升至0.021 S/cm，离子电导率始终维持在10^-4 S/cm以上。这表明MIECP-OI可同时高效传输离子与电荷。

本研究开发的混合离子-电子导电聚合物（MIECP-OI）基电致变色超级电容器（ECSC）表现出卓越的电致变色与储能性能。该器件在可见光（650 nm）和近红外（1270 nm）波段分别实现58.14%和49.91%的透光率调制，着色/褪色时间均在2秒以内。同时，其具备高面积容量（114.32 mF cm^-2）和高能量密度（51.49 μWh cm^-2），在10000次循环后容量保持率高达91.78%。该性能源于材料中离子与电子传输的高效协同作用，显著降低了界面阻抗，实现了光学调制与能量存储的双重优化，适用于下一代智能节能窗系统。

本研究通过多种原位与非原位表征技术深入解析了MIECP-OI电极在充放电过程中的结构演变与电荷传输机制。紫外-可见光谱、X射线衍射和拉曼光谱结果表明，在充电过程中，五苯胺段发生可逆的苯式-醌式转变，伴随晶格膨胀和特征峰位移；XPS进一步证实氮物种的氧化状态变化及Li+/ClO₄^-的可逆嵌入/脱出。通过弛豫时间分布（DRT）技术对电化学阻抗谱进行解析，发现MIECP-OI基器件在界面膜传输（10^-5–10^-4 s）、电荷转移（10^-3–1 s）和体相扩散（1–10 s）三个弛豫过程中均表现出低于对照组的阻抗，说明其具有优异的界面相容性和离子扩散动力学。该深度机制分析为理解混合导体的离子-电子协同传输提供了重要依据。

本研究开发的混合离子-电子导体聚合物（MIECP-OI）基电致变色超级电容器，通过分子结构设计成功协调了离子与电子传输动力学，实现了光调制与储能性能的协同提升，为新一代智能窗与多功能能量管理器件提供了重要范式。未来，该材料策略可进一步拓展至柔性电子、可穿戴设备及自适应光学系统等领域；通过优化分子结构、调控界面性质及集成智能控制算法，有望实现更广泛的色彩调控、更高的能量密度与更长的循环寿命。此类器件的规模化制备与集成应用，将推动建筑节能、绿色能源和物联网的深度融合，为实现“双碳”目标提供创新技术支撑。

Mixed Ionic-Electronic Conducting Polymer Enables Efficient Electrochromic Supercapacitor