福建省“大学生创新创业训练计划”项目申报书.docx

学校名称:项目名称:项目类型:负责人:指导教师:福建省“大学生创新创业训练计划”项目申报书闽南师范大学可充电水系锌离子电池的凝胶态电解质设计0创新训练项目创业训练项目创业实践项目全梦纯王庆华二。二一年六月填写须知一、项目分类说明：1 .创新训练项目是本科生个人或团队，在校内导师指导下，自主完成创新性实验方法的设计、设备和材料的准备、实验的实施、数据处理与分析、总结报告撰写等工作。2 .创业训练项目是本科生团队，在校内导师指导下，团队中每个学生在项目实施过程中承担一个或多个具体的角色，通过编制商业计划书、开展可行性研究、模拟企业运行、进行一定程度的验证试验，撰写创业报告等工作。3 .创业实践项目是学生团队，在学校导师和企业导师共同指导下，采用前期创新训练项目（或创新性实验）的成果，提出一项具有市场前景的创新性产品或者服务，以此为基础开展创业实践活动。申报该类项目需额外提交企业导师合作指导协议书作为附件。二、申报书请按顺序逐项填写，填写内容必须实事求是，表达明确严谨。空缺项要填“无”。三、申请参加大学生创新创业训练计划项目团队的人数含负责人在内不得超过5人。四、表格中的字体小四号仿宋体，1.5倍行距；需签字部分由相关人员以黑色钢笔或水笔签名。均用A4纸双面打印，于左侧装订成册。五、推荐上报的计划项目由学院大创领导小组签署意见、签字并加盖公章后，一式两份（均为原件），报教务处。项目起止时间2021年08月至2022年08月负责人姓名年级学院学号联系电话E-maiI全梦纯2019级化学化工与环境学院项目组成员侯秀娟2019级化学化工与环境学院欧思敏2019级化学化工与环境学院张婉莹2019级化学化工与环境学院指导教师姓名王庆华职务/职称副教授所在单位闽南师范大学化学化工与环境学院联系电话E-maiI校外导师姓名职务/职称所在单位联系电话E-maiI一、项目简介（50字左右）项目名称可充电水系锌离子电池的凝胶态电解质设计可充电式水系锌离子电池因具有大容量、高安全以及低成本等优点而在储能领域备受关注。但存在锌负极在水溶液中不稳定，容易发生腐蚀、析氢、枝晶生长和表面钝化等问题。本课题拟合成准固态的水凝胶电解质，来稳定水系锌电池的锌负极。与常见的一元聚合物凝胶电解质不同，本课题提出二元共混聚合物凝胶电解质，通过改变两种聚合物的比例来调控凝胶的微观结构与性能，构建坚韧、可拉伸且耐疲劳的水凝胶结构，来满足可穿戴设备对于拉伸、弯曲、粘附等力学性能的要求。通过凝胶网络微观结构限制锌离子的扩散范围和运动方向，抑制锌枝晶的生长。通过聚合物侧链官能团与水分子形成氢键结合网络，降低水分子的活性，抑制锌负极上的析氢副反应。本课题通过设计低成本、高安全、稳定性好的凝胶态电解质来稳定锌负极，推进二次水系锌电池在可穿戴设备和柔性储能领域中的实际应用。二、申请理由（包括自身/团队具备的知识、条件、特长、兴趣、前期准备等）组长全梦纯：化工专业出身，有两年的化学专业的学习基础，专业课程成绩排在班级前列，有一定的电化学学习基础和实验经验，对电化学实验颇有兴趣；擅长实验过程以及实验分析；会主动积极地学习相关的专业知识以及在实验过程中仔细、认真、严谨，实验后会进行自我思考反省。组员侯秀娟：化工专业出身，经过两年的专业学习，具有一定的电化学基础和实验经历，专业知识掌握的牢固，热爱专研实验；同时比较擅长收集材料，整理材料以及查找文献等这些方面；会运用自己所学的知识，在实验过程中专心、耐心、细心。组员欧思敏：闽南师范大学，19级化学工程与工业生物工程专业学生，已经学习了两年的化工专业知识，具有一定的实验实操能力，对电化学有一定的理论基础，擅于利用理论知识来分析实验结果。以及在实验过程中认真思考的分析实验结果。组员张婉莹：闽南师范大学19级化学工程与工业生物工程专业学生，有两年的化学专业课的学习，有一定的电化学理论基础和实践经验，在电化学方面有一定的了解，同时也有强烈的兴趣，想要有更深入的研究，比较擅长的实验数据整理处理以及计算，会利用自己的专业知识，在实验过程中会查找相关资料，对待实验态度端正，认真严谨。指导老师王庆华：长期从事超级电容器、水系锌离子电池等电化学能源材料方向的研究工作，具有丰富的指导大学生毕业论文和大创项目的实践经验。前期准备：在水系锌电池方面，本课题组成员都有几年的化学学习背景，大学学习以来我们认真地学习了无机化学、分析化学、物理化学，其中均有涉及到电化学知识；本课题组成员有主动去了解水系锌电池目前在市场的形势情况，查阅了大量相关的资料，了解它存在的优缺点存在的问题，以及思考该如何去解决现有问题并在此基础上创新。以上工作都为本项目中新型凝胶态电解质材料的设计合成及水系锌离子电池应用奠定了良好基础。.三、项目方案（计划、技术路线、人员分工等）进度计划本项目实施周期约一年，前3个月进行凝胶电解质的设计与合成，对合成材料进行各种物理表征。再用6个月组装基于凝胶电解质的锌电池，进行各项电化学性能测试。最后3个月对实验结果进行分析与计算处理，撰写总结报告。技术路线本课题的总体技术路线如图1所示，研究二元共混聚合物凝胶态电解质的可控制备与化学交联网络的构建方法。研究聚合物基体的微观结构与凝胶态电解质的电化学性能之间的关系，并根据实验结果，对于凝胶态电解质的可控制备实验条件进行优化。最终通过二元共混聚合物凝胶态电解质的结构设计，提升可充电式柔性水系锌电池的电化学性能。二元共混聚合物凝胶态电解质的可控制备二元共退聚合物水溶胶(PAM.PVA,或PAM.HEC)力学性能粘弹性拉伸强度应力应变融戋电化列能电化学性能缗环寿命抗杳曲性熊图L技术路线图。准固态柔性水系锌电池的电化学性能的提升图中缩写符号含义如下：AM,丙烯酰胺；PAM,聚丙烯酰胺；PVA,聚乙烯醇；HEC,羟乙基纤维素；ClPVA,交联的聚乙烯醇；clHEC,交联的羟乙基纤维素研究方案如下：（1）二元共混聚合物凝胶态电解质的制备a）二元共混聚合物水溶胶的制备首先将第一种单体（丙烯酰胺AM等）与第二种聚合物（聚乙烯醇PVA等）直接在水溶液中混合，然后加入交联剂亚甲基双丙烯酰胺（MBA）,再加入引发剂过硫酸锭（APS）,引发自由基聚合反应，丙烯酰胺发生聚合生成聚丙烯酰胺（PAM）,从而形成聚丙烯酰胺聚乙烯醇共混的胶体溶液。将第二种聚合物换为羟乙基纤维素(HEC),其余条件同上，则可得到聚丙烯酰胺HEC共混的胶体溶液。通过改变两种聚合物的比例、引发剂和交联剂的加入量、反应温度与聚合时间、溶液浓度等试验条件，能够调控聚合物的分子量及链组成分布。b)二元共混聚合物凝胶杰电解质的制备加入交联剂正硅酸四乙酯(TEOS),引发第二聚合物分子链间的交联，TEOS与PVA(或HEC、EC等)的羟基间脱水缩合形成-Si-0-Si-化学交联网络。该反应条件简单，无需引入额外的化学试剂。同时，交联后形成Si-O-Si键，分子链柔顺性好。研究锌盐的种类和浓度产生的盐析效应对于凝胶电解质结构性能的影响；研究形成化学交联网络的反应条件，明确温度、时间、交联剂的浓度等外部条件对交联度的影响，制备具有化学交联网络结构的二元共混凝胶电解质。(2)聚合物基体的微观结构与电解质宏观性能间的关系通过扫描电子显微镜、透射电镜、原子力显微镜等表征聚合物的微观结构。采用交流阻抗谱技术测量聚合物凝胶电解质的离子电导率；采用线性伏安扫描法表征凝胶态电解质的电化学窗口；将凝胶态聚合物电解质组装成对称锌电池，通过恒流充放电测试电解质与锌金属之间的界面稳定性。(3)准固杰锌电池性能研究电极制备：以锌金属作为负极材料,以氧化镒、锐酸盐、硫化物、碳材料等作为正极材料，采用涂布法制备电极。电池测试：将凝胶态电解质与正、负电极组装成准固态水系锌电池，在电池检测系统中，调整充放电测试参数，采用循环伏安法、恒流充放电法等技术测试锌电池在不同温度下的充放电比容量、库伦效率、电压平台等性能，进一步分析电池在不同充放电速率下的倍率性能、能量密度及循环寿命。人员分工团队成员有四位来自闽南师范大学化学工程与环境学院19级化学化工与生物工程专业的同学：侯秀娟和欧思敏：实验前期的准备工作，试剂和电极耗材的订购，溶液配制，水凝胶的制备，经费报销等；张婉莹和全梦纯：水系锌离子电池的组装和电化学性能测试，数据的分析整理，实验方案的改进，总结报告撰写等。四、项目特色与创新点本课题通过凝胶态电解质的设计，来稳定水系锌电池中的锌负极，推进可充电式柔性水系锌离子电池在可穿戴设备中的应用。特色与创新之处在于：1）与常见的一元聚合物凝胶电解质不同，本课题提出二元共混聚合物电解质,过两种聚合物的比例以及聚合条件来调控凝胶的微观成分、结构与性能。聚合物分子链间通过穿插缠绕作用和链间化学交联作用结合在一起，使凝胶具有良好的力学性能。2）通过盐析效应,可以在毫米级至分子水平上构建坚韧、可拉伸且耐疲劳的具有分层次结构的水凝胶,进一步增强力学性能，来满足可穿戴设备应用对于拉伸、弯曲、粘附等力学性能的要求。3）通过凝胶网络微观结构，限制锌离子的扩散范围和运动方向,改变锌离子的扩散动力学,抑制锌枝晶的生长C通过聚合物上侧链官能团与水分子形成氢键结合网络，降低水分子的活性，抑制锌负极上的析氢副反应C五、项目进度安排2021-8-1to2021-12-31进行聚合物材料和凝胶电解质的设计合成，对合成材料进行各种物理表征，包括形貌、成分、物相、力学性能等的分析。2022-1-1to2022-5-31组装基于凝胶电解质的水系锌电池，测试制备的凝胶电解质材料的电导率和界面稳定性等电化学性能，并对器件的电化学储能性能进行测试。测试的性能指标主要包括容量、能量密度、倍率性能、循环稳定性等。根据测试结果对制备实验条件进行优化。2022-6-1to2022-8-1整理实验数据，对实验结果进行分析计算处理，分析凝胶电解质结构与其力学性能、电化学性能的关系，研究电解质抑制析氢和枝晶生长的机理。对实验数据的进一步分析、完善与补充。撰写总结报告。六、项目经费使用计划（要求说明项目经费）课题项目总经费IOOoO元。具体列支如下：1.业务费8000（1）计算、分析、测试费8000（扫描电镜、透射电镜、XPS.拉曼光谱、力学性能测试等）2.仪器设备购置费03.实验装置试制费04.材料费2000（电极夹、参比电极、泡沫银、锌片等电极材料，丙烯酰胺单体、过硫酸镀、亚甲基双丙烯酰胺、聚乙烯醇、正硅酸四乙酯等试剂）七、项目完成预期成果（论文级别、专利、设计、产品、服务；创新实践项目需说明公司规模、营业额等）通过对凝胶态电解质的合理设计，显著改善金属锌负极的稳定性，减缓腐蚀、抑制析氢副反应和锌枝晶生长，改善可充电式水系锌离子电池的储能容量和长期循环稳定性，构建柔性水系锌电池的实验室原型器件，推进其在可穿戴设备和柔性储能领域中的应用。指导教师意见：可充电式水系锌离子电池具有安全、环保，原料价廉易得，能量密度高等优点，是一种很有应用前景的新型绿色电池，不过仍存在锌负极容易形成枝晶、发生析氢副反应等问题。本项目通过合理设计制备凝胶态电解质，来抑制锌负极的枝晶形成和析氢副反应，有利于促进可充电式水系锌电池的实际应用o本课题的实验方案和技术路线合理可行，有一定的创新性和实用价值。签名：年月B学院（系部）领导小组意见：签名盖章：年月0学校意见：签名盖章：年月日