针对上述问题，清华大学张如范副教授课题组成功开发了一种基于无机二氧化硅纳米纤维膜与聚甲基丙烯酸甲酯复合的新型准固态电解质。该复合准固态电解质展现出高达4.42 mS cm⁻¹（20°C）的离子电导率，基于此电解质构建的电致变色器件以三氧化钨和五氧化二钒为电极，实现了透明浅灰与深蓝色之间的可逆颜色切换，并表现出0.96秒的着色速度和0.8秒的褪色速度、247.36 cm² C⁻¹的高着色效率以及卓越的循环稳定性（1500次循环后仍保持86%的性能）。

相关论文以“An Inorganic Fiber–Polymer Composite-Based Quasi-Solid Electrolyte for High-Performance Electrochromic Devices”为题，发表在ACS Nano上。

研究人员首先展示了复合准固态电解质的制备流程与微观机制（图1）。该电解质由通过静电纺丝和高温煅烧制备的SiO₂纳米纤维膜与PMMA基聚合物电解质复合而成。SNM为PMMA基电解质提供了结构支撑和机械稳定性，同时纳米纤维表面附近的PMMA链的迁移性和排列发生改变，形成了有利于离子传输的界面区域。SiO₂表面的硅醇基团与TFSI阴离子发生相互作用，促进了锂离子的解离与传输。

图1. 无机纤维-聚合物复合准固态电解质的制备流程和微观机制示意图。 

对SNM和复合电解质的结构表征结果如图2所示。扫描电镜图像（图2a）显示，煅烧后的SiO₂纳米纤维保留了连续多孔的三维网络结构，直径略有减小。EDS能谱（图2b）证实了Si和O元素的存在，而数码照片（图2b插图）展示了SNM优异的柔韧性，可反复扭曲而不断裂。复合电解质的SEM图像（图2c）显示SiO₂纳米纤维与PMMA基聚合物电解质良好结合，对应的EDS元素分布图（图2d）表明Si、O、F、S、N元素均匀分布，证实了两者的均匀互穿。FTIR光谱（图2e）中出现了归属于TFSI⁻阴离子的特征峰，验证了复合电解质的成功构建。热重分析（图2f）表明复合电解质在100°C以下具有优异的热稳定性，且比纯PMMA基电解质更稳定。更重要的是，复合电解质在400-1000 nm波长范围内透光率超过90%（图2g），确保了电致变色器件清晰准确的颜色表现。

图2. SiO₂纳米纤维膜和CQS电解质的结构表征。(a) SNM的SEM图像、(b) EDS谱图和数码照片。(c) CQS电解质的SEM图像和(d) EDS元素分布图。(e) SNM和CQS电解质的FTIR光谱。(f) CQS电解质和PMMA基聚合物电解质的热重曲线。(g) CQS电解质的透射光谱和数码照片。 

复合准固态电解质的电化学测量和分子动力学模拟结果如图3所示。电化学阻抗谱测试表明，在20°C下复合电解质的体电阻仅为1 Ω，远低于PMMA基电解质的54 Ω，对应高达4.42 mS cm⁻¹的离子电导率（图3a）。在-20°C至40°C的宽温度范围内，复合电解质的阻抗变化很小（图3b），即使于-20°C仍保持1.75 mS cm⁻¹的电导率。阿伦尼乌斯图（图3c）进一步证实了其稳定的离子传输特性。密度泛函理论计算（图3d）显示，所有有机组分均具有较大的HOMO-LUMO带隙（>7.5 eV），确保了电解质的电化学惰性和稳定性。结合能计算（图3e）表明Li⁺与PMMA-SiO₂的结合能与纯PMMA几乎相同，说明SiO₂纳米纤维的引入并未产生阻碍Li⁺传输的不利位点。分子动力学模拟的快照（图3f）显示TFSI阴离子分散在Li⁺周围，而径向分布函数分析（图3g）表明每个Li⁺平均与0.84个TFSI⁻、0.4个PC、0.5个PMMA、0.7个SiO₂和3.1个EA分子配位。与纯PMMA电解质相比，SiO₂的引入降低了TFSI⁻的配位数，抑制了离子团聚，降低了体系粘度，从而提高了离子电导率。

图3. CQS电解质的电化学测量和分子动力学模拟。(a) CQS电解质和PMMA基聚合物电解质的Nyquist曲线。(b) CQS电解质在不同温度条件下的Nyquist曲线。(c) CQS电解质的Arrhenius图。(d) EA、PC、LiTFSI、PMMA和PMMA-SiO₂的HOMO和LUMO轨道能量分布。(e) Li-EA、Li-PC、Li-PMMA和Li-PMMA-SiO₂的结合能。(f) CQS电解质分子动力学模拟快照，(g) 对应的径向分布函数曲线。 

基于复合准固态电解质的电致变色器件性能如图4所示。在不同扫描速率下的循环伏安曲线（图4a）显示出清晰的氧化还原峰。器件在不同电压下的数码照片（图4b）展示了透明浅灰、浅蓝和深蓝色的可逆颜色变化。在-2 V和2 V电压下的透射光谱（图4c）表明，器件在750 nm波长处的光学调制幅度达45%。开关时间测试（图4d）显示着色时间为0.96秒，褪色时间为0.8秒，这一优异的响应动力学归因于复合电解质的高离子电导率。着色效率（图4e）高达247.36 cm² C⁻¹，在无机电致变色电极系统中表现卓越。

图4. 基于CQS电解质的电致变色器件性能。(a) 不同扫描速率下ECD的CV曲线。(b) 不同电压下CQS基ECD的数码照片。(c) 不同施加电压下ECD的透射光谱。(d) 在750 nm波长下，施加-2/2 V交替电压时ECD的着色/褪色透射光谱。(e) ECD的着色效率。 

图5进一步展示了器件的综合性能。光学记忆效应测试（图5a）表明，在完全着色后零偏压保持3600秒，仅有12.86%的光学调制被恢复，展现出优异的光学记忆性能。长期循环稳定性测试（图5b）显示，经过1500次可逆循环（54,785秒）后，器件仍保持86%的初始光学调制。与近期报道的代表性无机基电致变色器件相比（图5c），本工作在着色时间、褪色时间、着色效率、光学调制和循环稳定性五个维度上均展现出综合优势。恒流充放电曲线（图5d）在不同电流密度下呈现几乎对称的支线，表明良好的充放电可逆性。为展示实际能量输出能力，将两个完全着色的器件串联成功点亮了商用绿色LED（图5e），证实了该复合准固态电解质平台在低功耗便携电子设备和自供电视觉指示器中的应用潜力。

图5. (a) ECD的光学记忆效应。(b) ECD在750 nm波长下的长期循环稳定性。(c) 近期报道的代表性无机电致变色材料基ECD在五个维度的性能比较。(d) 不同电流密度下CQS电解质基ECD的充放电曲线。(e) 两个串联电致变色器件驱动绿色LED的延时照片。

综上所述，本研究开发的新型无机纳米纤维-聚合物复合准固态电解质在宽温度范围内实现了快速离子传输动力学和均匀离子通量，兼具高离子电导率与高透光性。基于该电解质的电致变色器件展现出快速开关速度、高着色效率、优异的光学记忆和出色的循环稳定性。展望未来，该器件与多色调控、自供电电致变色系统、可穿戴低功耗显示器以及集成式电致变色储能器件等新兴发展趋势高度契合，为下一代智能节能窗和多功能电致变色应用提供了重要平台。