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天然高分子柔性可穿戴储能器件

申报人：尉建峰 申报日期：2025-01-02

基本情况

2025年批次
天然高分子柔性可穿戴储能器件 学生申报
创新训练项目
工学
材料类
学生来源于教师科研项目选题
一年期
天然高分子材料在柔性储能器件中因其环保性、生物兼容性、可再生性和优异的柔韧性而具有显著优势。本项目针对常规柔性电极材料存在机械性能欠佳和能量密度不足等问题，提出将天然高分子水凝胶的强柔韧性、类普鲁士蓝(PBAs)的高氧化还原电位和导电高分子(CPs)的高导电性有机结合，制备具有高能量密度和长循环寿命的凝胶态柔性电极。研究三者间的协同机理；解决电活性物质分散不均、电极电解质界面不稳等关键问题，为开发高性能的柔性储能器件提供理论指导和技术支持。
参与了激光技术辅助制备柔性电极材料的相关研究工作，在项目中负责材料制备和器件组装、测试等工作。相关成果已经撰写了题为“Energy-efficient and eco-friendly fabrication of a quaternary co-doped porous carbon electrode material for zinc-ion hybrid capacitors via laser technology”的论文，已经投稿至国际期刊J. Alloy. Compd.，目前状态为“major revisions”。
国家自然科学基金地区项目，复合赝电容物质增强纤维素基锌离子混合电容器柔性电极储能性能的机理研究，主持，22265007，33万元，2023-2026；广西重点研发计划项目，特种柔性石墨烯聚合物锂电池的研发与产业化。
指导教师拥有丰富的专业知识和经验，为本项目提供了深入的理论指导，确保了项目方向的正确性和研究方法的科学性。通过定期的讨论会和个别辅导，指导教师帮助团队成员解决在理论构建中遇到的难题。在项目执行过程中，指导教师不仅传授了实验设计、数据分析等实践技能，还亲自带领团队成员进行关键实验步骤的示范，有效提升了我们的实践操作能力。指导教师注重团队凝聚力的培养，通过组织团队建设活动、分享会等形式，增强了团队成员之间的沟通与协作。同时，鼓励团队成员提出意见和建议，营造了一个开放、包容的研究环境。在项目需要的实验设备和场地方面，指导教师积极协调，确保了项目所需资源的充足供应，为项目的顺利进行创造了良好的条件。

校级

项目成员

序号 学生 所属学院 专业 年级 项目中的分工 成员类型
尉建峰 材料科学与工程学院 高分子材料与工程 2022 全面负责项目
葛孙一一 材料科学与工程学院 高分子材料与工程 2022 材料制备
吴炳林 材料科学与工程学院 高分子材料与工程 2022 结构分析
陈泉旭 材料科学与工程学院 高分子材料科学与工程 2022 性能测试
谢陶靖 材料科学与工程学院 高分子材料与工程 2022 材料制备

指导教师

序号 教师姓名 所属学院 是否企业导师 教师类型
杨超 材料科学与工程学院 否

立项依据

    本项目围绕柔性ZIBs正极材料的构筑和储能机制开展研究。拟采用水凝胶为柔性基体，PBAs和CPs为电活性材料，协同增强复合电极的储能性能和机械性能，开展三元复合电极的结构对锌离子存储、材料机械性能的影响规律和作用机制的研究。提出PBAs、CPs以及水凝胶三者间的协同作用机理，建立平衡柔性电极活性物质负载量、电化学性能、机械性能的模型。将PBAs的高氧化还原电位优势、CPs的导电性和水凝胶基体的柔韧性有机结合。CPs包覆在PBAs表面，可以提高PBAs的导电性，降低极化，亦能作为保护层抑制副反应。同时，水凝胶也能有效抑制PBAs的溶解。在CPs和水凝胶基体的双重保护下,最终制备出高放电电压、良好倍率性能和长循环寿命的PBAs/CPs凝胶态柔性复合电极。对PBAs/CPs凝胶态柔性复合电极的比容量、能量密度、充放电循环稳定性、离子和电子电导率、电荷扩散过程、电极反应动力学等电化学特性和机械性能进行分析。深入研究复合电极材料合成方法、组分、结构与储能性能、机械性能的关系，阐明在充放电过程中的电荷传导、离子扩散、界面传质等动力学机理，明确各组分对材料电化学性能的贡献和作用机制，指导优化高性能柔性ZIBs正极材料的制备，并建立电极材料结构和性能的关系。本项目的实施，可以丰富柔性ZIBs正极材料的制备方法，阐明各组分对电化学性能和机械性能的贡献与作用机制，有望揭示PBAs/CPs凝胶态柔性复合电极电化学动力学行为以及结构与性能的关系，为今后发展安全环保高性能的柔性水系电化学储能器件提供借鉴和理论依据。
（1）类普鲁士蓝(PBAs)表面构筑导电聚合物(CPs)
利用化学氧化法或气相聚合法在PBAs表面沉积CPs(如聚苯胺、聚吡咯等)制备CPs包覆PBAs复合材料(PBAs@CPs)。研究原料配比、反应条件、聚合物种类等因素对CPs包覆层的附着力和形貌结构的影响规律。探讨CPs种类、聚合方法、反应时间等对PBAs@CPs结构与电化学性能的影响。提出在PBAs表面构筑CPs的方案，揭示在PBAs表面可控制备CPs的机理。
（2）天然高分子水凝胶柔性复合电极的制备
将PBAs@CPs与天然高分子水凝胶的前驱体溶液(如海藻酸钠、纤维素等)进行均匀混合，通过物理或化学交联法得到PBAs/CPs凝胶态柔性复合电极。研究PBAs@CPs的掺入量和分散情况、交联的方法以及界面作用对柔性复合电极材料的形貌结构、导电性能和机械性能等的影响。
（3）PBAs/CPs凝胶态柔性电极的电化学储能性能研究
通过原位Raman、原位XRD、原位XPS等检测手段，研究复合材料在ZIBs中的储能机理以及阴极和电解质界面处的相互作用。采用循环伏安、恒电流充放电、交流阻抗等测试对组装成的柔性ZIBs的电化学动力学行为进行探索，同时对器件在不同形变或损伤下的电化学性能进行测试。研究复合材料的形貌结构、组份含量等对器件的比容量、能量密度、循环寿命、柔韧性等电化学性能及机械性能的影响。
    柔性储能器件的出现为智能可穿戴设备领域带来了革命性的变革。智能手表、健康监测器等设备在柔性储能器件的帮助下实现了更舒适、便捷的设计。水系离子电池采用中性水溶液作为电解质，避免了有机电解质的易燃和污染问题，降低了工艺难度和生产成本，同时提高了使用安全性，因此在柔性储能系统中具有重要应用前景。在众多水系离子电池中，锌离子电池(ZIBs)因其安全性高，锌资源丰富，锌阳极氧化还原电位低(-0.76 V vs SHE)和理论容量高(820 mAhg-1)等固有优点，被认为是一种极具发展潜力的电化学储能器件。柔性储能器件在追求高电化学性能的同时，还应具备体积小、重量轻、柔韧性好以及安全性高等特点。而ZIBs凭借其环保、低成本以及高安全性等优势，在柔性储能领域展现出了较大的应用潜力。使用水系电解质的ZIBs从根本上解决了有机电解质LIBs易燃的安全问题，但也带来了一些性能制约。水系电解液因为溶剂水的存在，使大多数ZIBs正极材料的工作电压低于1.4 V，导致其在能量密度的竞争上没有优势。 目前，ZIBs的正极材料主要有锰基氧化物、钒基氧化物、有机醌类化合物、类普鲁士蓝(PBAs)等。与其它类型的正极材料相比，PBAs本征的高氧化还原电位赋予其较高的放电电压。能量密度的提升可以通过提升电压和电容量来实现。但相比提升电容量，提升电压对能量密度的提升效果更为明显，且限制更小。此外，高电压对储能器件的轻量化设计也尤为重要。单个电池的电压升高，可以减少电池组达到所需电压时的串联个数，使储能系统的体积更小，质量更轻。所以，高电压的储能器件更易满足可穿戴电子设备储能体积小，质量轻的需求。因此，基于PBAs正极材料的ZIBs在柔性储能器件的开发中将更具优势。
    近年来，国内外研究者针对PBAs正极材料的改性研究取得了丰硕的成果。例如，使用高温共沉淀法合成的菱方相全取代铁氰化锌规避了PBAs在锌离子存储时的相变问题，获得了倍率性能和循环稳定性都较好的电极材料。通过热处理将还原氧化石墨烯包覆在PBAs表面，不仅提高了电极材料的导电性，还去除了PBAs中的配位水，减少了副反应的发生，得到了倍率性能和循环稳定性优良的复合电极材。另外也有研究表明聚吡咯(PPy)涂层包覆PBAs后可以获得更高比表面积的复合电极。PPy 涂层不仅可以提高导电性，降低极化，同时作为保护层抑制副反应，使电极材料具有优异倍率性能和循环稳定性。
  创新点：本项目围绕柔性ZIBs正极材料的构筑和储能机制开展研究。拟采用水凝胶为柔性基体，PBAs和CPs为电活性材料，协同增强复合电极的储能性能和机械性能，开展三元复合电极的结构对锌离子存储、材料机械性能的影响规律和作用机制的研究。提出PBAs、CPs以及水凝胶三者间的协同作用机理，建立平衡柔性电极活性物质负载量、电化学性能、机械性能的模型。
  特色：将PBAs的高氧化还原电位优势、CPs的导电性和水凝胶基体的柔韧性有机结合。CPs包覆在PBAs表面，可以提高PBAs的导电性，降低极化，亦能作为保护层抑制副反应。同时，水凝胶也能有效抑制PBAs的溶解。在CPs和水凝胶基体的双重保护下, 最终制备出高放电电压、良好倍率性能和长循环寿命的PBAs/CPs凝胶态柔性复合电极。
  技术路线：采用水凝胶作为柔性基体，首先需合成具备稳定网络结构的水凝胶；随后，通过精确控制反应条件合成普鲁士蓝，并选择合适的导电高分子进行合成与掺杂处理；接着，将这三种组分以一定比例混合均匀，采用适当的工艺方法（如溶液涂布、静电纺丝等）制备成具有特定形状和尺寸的三元复合电极材料；最后，对制得的电极材料进行性能测试与表征，确保其满足柔性器件的实际应用需求。
 拟解决的问题：前人的研究虽然给PBAs凝胶准固态电极提供了指导和研究基础，但还存在一些亟待解决的问题。(1)PBAs和水凝胶基体的导电性不佳，会影响复合电极的导电性，加重极化，损失电容量。(2)迄今为止开发的大多数柔性电极仅重视电极材料的的稳定性严重影响着柔性ZIBs的综合性能。(3)复合电极中PBAs的负载量会影响电极材料的电化学性能和柔性，PBAs和凝胶基体的协同机制还有待深入研究。因此，无论是从柔性ZIBs电极材料的科学研究价值，还是使柔性ZIBs从实验室走向实际应用的商业化价值，解决上述科学难题都显得非常重要和迫切。
 预期成果：开展高放电电压、良好倍率性能和长循环寿命的天然高分子基凝胶态柔性复合电极制备。建立可控制备此类材料的方法体系，明确组分协作机制，阐明电极电化学动力学过程，构建稳定的电极-电解质界面，提出平衡凝胶态柔性电极电化学性能和柔韧性的方法，为新型柔性电极材料的制备和设计提供理论依据。小组在老师的指导下发表高水平SCI论文1篇，申请发明专利1项。
  2025年5月～2025年6月：类普鲁士蓝表面构筑导电聚合物（PBAs@CPs），对在类普鲁士蓝表面构筑导电聚合物纳米材料进行初步探索。
  2025年8月～2025年12月：天然高分子水凝胶柔性复合电极的制备，研究PBAs@CPs的掺入量和分散情况、交联的方法以及界面作用对柔性复合电极材料的形貌结构、导电性能和机械性能等的影响，依据实验数据，完善材料设计和合成思路。
  2026年1月～2026年4月：研究复合材料在ZIBs中的储能机理以及阴极和电解质界面处的相互作用。同时对器件在不同形变或损伤下的电化学性能进行测试。研究复合材料的结构与性能关系；全面总结研究成果，撰写发表论文和专利，做好结题工作。
1.与本项目有关的研究积累和已取得的成绩
本项目负责人及团队成员于2023年起就在桂林理工大学材料科学与工程学院高分子教研室柔性可穿戴器件研究室开始从事实验和实践学习，在老师和课题组博士研究生的带领下，熟练的掌握了文献查阅、材料的合成、分析和性能检测的相关知识，并可以熟练操作柔性测试仪、万能力学试验机、电化学工作站等仪器。参与了激光技术辅助制备柔性电极材料的相关研究工作，在项目中负责材料制备和器件组装、测试等工作。相关成果已经撰写了题为“Energy-efficient and eco-friendly fabrication of a quaternary co-doped porous carbon electrode material for zinc-ion hybrid capacitors via laser technology”的论文，已经投稿至国际期刊J. Alloy. Compd.，目前状态为“major revisions”。
2.已具备的条件，尚缺少的条件及解决方法
桂林理工大学材料科学与工程学院拥有“有色金属及材料加工新技术”教育部重点实验室、有色金属矿产勘查与资源高效利用省部共建协同创新中心等国家和省部级科研、教学平台。拥有先进的材料制备、结构表征、性能测试等相关的仪器设备，价值总计1.54亿元。学院老师们认真负责、专业知识水平高、爱岗敬业。学校、学院教学、科研制度完善、保障有力。因此，硬件、软件方面可以有效支撑项目实施。
  桂林理工大学材料科学与工程学院拥有“有色金属及材料加工新技术”教育部重点实验室、有色金属矿产勘查与资源高效利用省部共建协同创新中心等国家和省部级科研、教学平台。拥有先进的材料制备、结构表征、性能测试等相关的仪器设备，价值总计1.54亿元。学院老师们认真负责、专业知识水平高、爱岗敬业。学校、学院教学、科研制度完善、保障有力。因此，硬件、软件方面可以有效支撑项目实施。

经费预算

开支科目 预算经费（元） 主要用途 阶段下达经费计划（元）
前半阶段 后半阶段
预算经费总额 10000.00 无 10000.00 0.00
1. 业务费 4000.00 无 4000.00 0.00
（1）计算、分析、测试费 4000.00 用于SEM、TEM、XRD、XPS等测试 4000.00 0.00
（2）能源动力费 0.00 无 0.00 0.00
（3）会议、差旅费 0.00 无 0.00 0.00
（4）文献检索费 0.00 无 0.00 0.00
（5）论文出版费 0.00 无 0.00 0.00
2. 仪器设备购置费 0.00 无 0.00 0.00
3. 实验装置试制费 0.00 无 0.00 0.00
4. 材料费 6000.00 用于购买实验原材料 6000.00 0.00
结束

用户单位： 桂林理工大学        

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