摘要：室内温度 控制占 建筑物能耗的一半。电致变色智能窗(ESW)能够主动控制光和热的传输，从而按需控制室内温度，从而提高建筑物的能源效率。然而，ESW的实施在色彩中性、长期耐用性、有效回收性和 可 集成性方面仍面临挑战。一些商用有机ESW已经投入使用，但如何利用性
电致变色智能窗 ！
室内温度 控制占 建筑物能耗的一半。电致变色智能窗(ESW)能够主动控制光和热的传输，从而按需控制室内温度，从而提高建筑物的能源效率。然而，ESW的实施在色彩中性、长期耐用性、有效回收性和 可 集成性方面仍面临挑战。一些商用有机ESW已经投入使用，但如何利用性能更优的无机ESW来提高建筑能源效率仍需进一步研究。
鉴于此， 山东大学 李海增教授 （ 2024年8月逝世， 终年 34岁 ） 、 中国海洋大学 陈经纬 教授以及 加拿大阿尔伯塔大学 Wu Zhang 探讨 了电致变色智能窗(ESW)的工作模式、组装方案和实施方法。ESW有效性和运行的关 键因素包括材料选择以及电化学和光学工艺 。此外， 他 们主张 在无机ESW中使用双波段调控和可逆金属沉积技术 。替代透明导体 （例如碳纳米管、石墨烯和金属网格）、增材制造方法、高集成度和可改造的电致变色薄膜，可以克服成本效益、可扩展性和耐用性等问题，从而实现更高效、更广泛应用的无机 ESW。 相关研究成果 以题为“ Inorganic electrochromic smart windows for advancing building energy efficiency ” 发表在最新一期 《Nature Reviews Clean Technology》上。
李海增，男，出生于1990年3月4日，山东大学能源与动力工程学院教授、博士生导师、硕士生导师，2021年3月入职山东大学，学科方向为：凝聚态物理、工程热物理。
李海增还是SID显示未来之星青年领袖，青年泰山学者，首届山东省海外优青项目获得者，获得Nanoscale新锐科学家奖，Microsystems & Nanoengineering 优秀青年科学家奖，Wiley中国开放科学2022年度作者奖，任国产期刊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 (预计首个IF>10)、Frontiers of Physics (教育部主管、高等教育出版社主办期刊, IF:7.5)青年编委。
李海增博士毕业于东华大学纤维材料改性国家重点实验室科技部重点领域创新团队、教育部创新团队(负责人：朱美芳院士)，师从王宏志教授。
李海增攻读博士学位期间获东华大学优博访学资助作为交换生加入美国国家发明家科学院院士、ACS Energy Letters副主编Pooi See Lee院士课题组进行联合培养。
近五年，李海增以一作或通讯作者在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等主流杂志发表学术论文30余篇，其中多篇当选ESI热点论文和高被引论文。此外，李海增教授获授权中国发明专利3项，美国专利1项。
本文献给 2024 年 8 月去世的作者李海增，他是一位热情的朋友、一位好同事、一位富有创新精神的研究人员和一位热情的学者，他将精力投入到电致变色领域十多年，为这个领域做出了巨大贡献。他通过创造和领导了锌负极基电致变色器件的开发，并加快电致变色器件在智能窗户和显示器中的应用。他的离开是一个巨大的损失，电致变色领域将深情地记住他。
【 背景 】
智能窗按响应 刺激类型可分为：光致变色、热致变色、液晶调光及电致变色 。其中， 电致变色窗因其 可控性强、能耗低、双稳态等优点被广泛看好。与液晶或悬浮颗粒设备需持续供电不同， ESWs仅需施加短时电压即可 实现长 时间调控。
然而，目前仍面临颜色失真、耐久性差、生产成本高、可回收性差等挑战。文章指出，相较于有机材料，无机 电致变色智能窗（ESWs） 在光学性能、循环稳定性和双波段调控方面更具潜力，是未来研究与应用的重要方向。 ESW由EC装置、透明玻璃和密封于其间的气体间隙组成（图1a）。ESW可以独立控制可见光和近红外光的透射，从而实现亮、冷、暗三种模式的双波段功能。在亮模式下，ESW在可见光至近红外波段保持高透明度（图1b）。在冷模式下，它们允许可见光透射，但阻挡近红外光（图1c）。在暗模式下，它们会同时阻挡可见光和近红外光（图1d）。
图 1. 电致变色智能窗的光和热调节机制
【 ESWs 的设计 】
高性能 ESW的设计需涵盖电化学、材料科学、器件工程等多学科知识。关键性能指标包括： 透光率变化（ ∆ T）大于60% ； 显色指数（ CRI）大于90 ； 响应时间少于 1分钟 ； 工作电压低于 5伏 ； 循环寿命达到 25,000–50,000次，对应使用寿命20–30年 。
文章讨论了 三种主要的 ESW器件结构 （见图2）： （1） 传统结构 EC器件 ：基于 离子插层机制 （如WO ₃ ），但由于 需厚储 离层，初始透光率较低，结构较复杂。 （2） 金属阳极型 EC器件 ：简化结构，提高能效，例如基于 锌 阳极的设备，已实现面积达80cm²， ∆ T为67.2%，着色时间3.6秒，褪色时间2.5秒。 （3） 可逆金属电沉积（ RMED）器件 ：通过金属沉积与溶解控制光学性能，结构简单，覆盖可见和红外波段，适用于动态窗与辐射冷却。
关键材料包括： （1） 无机电致变色材料 ：如 WO ₃ 、 TiO ₂ 、 Nb ₂ O ₅ ，具有良好的稳定性与调光能力。 （2） 有机材料 ： 如紫精类 、聚苯胺，色彩丰富、 响应快 但稳定性差。 （3） 电解质 ：准固态电解质（ QSE）兼具液态与固态优点，性能稳定。 （4） 透明导电电极（ TCEs） ：传统ITO/FTO成本高、脆性强，替代材料如石墨烯、金属纳米线、PEDOT:PSS更具商业化潜力。 文中还以 Box1形式系统列出了性能指标计算方法，如显色效率、响应速率等。
图 2 . 不同电致变色装置的配置
【 ESWs 的节能实现 】
2021年全球ESW市场价值为26.4亿美元，预计到2028年将增长至 66.5亿美元。ESWs可为建筑HVAC系统节省 6–15%的能耗。在新加坡、开罗等热带城市，RMED型智能窗可节省高达19.7%的年HVAC能耗；而在冰岛等寒冷地区节能则仅为0.3%。 图 3与图4展示了实际应用照片和全球15个城市的模拟节能数据，最高年节能量达654.1MJ/m²。
传统 ESWs颜色偏深蓝，显色指数低，影响室内色彩还原。通过Ti和Mo掺杂WO ₃ ，或采用 NiMoO ₄ 材料，可实现中性调色和高 ∆ T（如 NiMoO ₄∆ T为86.8%）。RMED中 CuBi 电沉积器件可达 ∆ TVIS=0.76，红外反射率>70%，透光率
关于 技术整合： （1） 能量存储 ：部分 ESWs具有电致变色与储能双功能，例如能量密度20.21μWh/cm²。 （2） 太阳能电池 ：与太阳能电池集成可实现自供电窗口或为 LED等小设备供电。 （3） 物联网（ IoT） ：通过传感器控制ESW的透明度，在六座伊朗城市模拟显示IoT-ESWs总体节能效果良好。 （4） 可翻新薄膜技术 ：可直接贴附在现有窗户表面的 EC薄膜，便于升级旧建筑。其成本低（约110美元/m²），切割性强，响应时间短（2–3秒）， ∆ T超过80%。提供了良好的商业化可行性。
图 3. 真实电致变色智能窗的照片
图 4. 电致变色智能窗户带来的节能效果
【总结与未来展望】
电致变色智能窗在提高建筑能效方面展现出巨大潜力，特别是双波段无机 ESWs因其耐久性强、色彩中性和光学对比度高，成为研究热点。然而， 实现大规模应用仍面临： （1）提高循环寿命至十万次以上；（2）降低材料与生产成本（如替代 ITO） ；（3）推进卷对卷、低毒溶剂、可持续油墨等工艺；（4）优化封装与回收机制 。
文章指出， 应简化结构设计、推广可翻新薄膜、发展大面积涂布技术以降低成本 。以 Zn阳极和QSE为代表的可回收设计亦是关键方向。展望未来， ESWs有望广泛应用于智能建筑、汽车、电子产品等领域，成为全球碳中和战略的一部分。
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来源：喵酱科学
