研究论文 | 聚醚醚酮/碳纳米管改性聚丙烯Janus复合隔膜的制备及性能

题目：聚醚醚酮/碳纳米管改性聚丙烯Janus复合隔膜的制备及性能

作者：杜新伟 ，赵文杰 ，呼微*，  孙昭艳，刘万利， 任天磊，付明星 

文章链接：

http://yyhx.ciac.jl.cn/CN/10.19894/j.issn.1000-0518.220065

DOI：10.19894/j.issn.1000-0518.220065

目前，聚乙烯（Polyethylene，PE）和聚丙烯（Polypropylene，PP）微孔膜隔膜已广泛应用于商业化锂离子电池（Lithium-ion batteries，LIBs）中，但聚烯烃隔膜热稳定性差，在高温下易发生热收缩，使电池正负极接触进而造成安全隐患；此外聚烯烃隔膜由于其表面极性较低，对电解液浸润性较差，阻碍了Li⁺的传输，限制了电池性能。

聚醚醚酮（Polyether-ether-ketone，PEEK）具有优异的热稳定性、良好的电解液浸润性和稳定的化学惰性，适合用于锂离子电池隔膜。但由于PP对PEEK的粘附性较差，所以需要先对商业化PP隔膜进行表面活化，提高其对PEEK涂层的粘附性。

碳纳米管（Carbon nanotube，CNT）是一种具有特殊结构的一维量子材料；它重量轻，具有高电导率；连接完美的六边形结构提供了高拉伸强度和刚性，并能促进Li⁺的均匀存储和分散。这些特点使CNT非常适合应用在电池材料中，常用作锂离子电池的优良导电添加剂。电池隔膜本身应当完全绝缘，将 CNT添加到隔膜一侧涂层中，能够制备一种单面导电的 Janus复合 PP隔膜。将导电一侧面对正极，在提高正极侧导电率的同时，可促进Li⁺的均匀存储和传输，降低界面阻抗，从而提高电化学性能。

本研究将含CNT的PEEK涂覆在PP的一侧制备成单面导电的Janus复合PP隔膜（PP@C），具体步骤为将一定质量的 CNT和 PEEK溶于硫酸/甲烷磺酸的混合溶液中，制备成 CNT含量不同的 PEEK涂覆液，同时用臭氧对PP隔膜进行氧化处理，使其表面产生羟基和羧基等活性基团，提高对PEEK涂层的粘附性，然后将涂覆液涂覆在 PP膜上，迅速转入甲醇/水溶液中通过相转化法固化成多孔膜。研究表明，所制备的单面导电的多孔 PP@C复合膜具有优异的尺寸热稳定性和电化学性能。

表 1 隔膜的物理性能

图1 PP@C复合隔膜在180 ℃下热处理0. 5 h的前（A-C）、后（D-F）的照片

图2 （A）CNT的透射电子显微镜（TEM）图片；PP@C复合隔膜表面的SEM图片（B）PP，（C）PP@C2，（D）PP@C5

图 3 PP@C 复合隔膜的电化学性能：（A）EIS图；（B）电化学阻抗曲线；（C）Li/隔膜/LiFePO4电池循环曲线；（D）电池倍率性能曲线

本研究通过 PEEK/CNT 复合溶液涂覆改性 PP隔膜成功制备了具有高热稳定性和优异电化学性能的Janus复合隔膜PP@C。复合隔膜PP@C具有超高的尺寸热稳定性，在180 ℃下热处理0.5 h不会发生熔融变形，显著提高隔膜的尺寸热稳定性和电池的安全性。此外，复合隔膜PP@C表现出较高的电解质润湿性，PP@C2的电解质吸收率为193. 8%，有利于Li⁺的传输，从而获得更好的电化学性能。PP@C2离子电导率高达1.18×10^-3 S/cm。采用 PP@C2 组装的 LIBs 在 0.2 C 时的放电比容量为 157.6 mA·h/g，2 C时的放电比容量为129.8 mA·h/g，且从2 C恢复至0.2 C放电时，容量恢复率达到99%以上。这是由于涂覆层中PEEK的高热稳定性和对电解液的良好浸润性，以及CNT的高导电率和对Li+的均匀存储和分散，使隔膜能够在提高电池安全性的前提下，还能具有优异的电化学性能。

呼微

研究领域：天然高分子复合材料研究及开发；聚烯烃聚合及微结构研究；纳米杂化材料研究及高性能聚合物的功能化等。

邮箱：huw884@nenu.edu.cn