題目：聚醚醚酮/碳納米管改性聚丙烯Janus復(fù)合隔膜的制備及性能

作者：杜新偉 ，趙文杰 ，呼微*，  孫昭艷，劉萬利， 任天磊，付明星 

文章鏈接：

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）微孔膜隔膜已廣泛應(yīng)用于商業(yè)化鋰離子電池（Lithium-ion batteries，LIBs）中，但聚烯烴隔膜熱穩(wěn)定性差，在高溫下易發(fā)生熱收縮，使電池正負(fù)極接觸進(jìn)而造成安全隱患；此外聚烯烴隔膜由于其表面極性較低，對(duì)電解液浸潤(rùn)性較差，阻礙了Li⁺的傳輸，限制了電池性能。

聚醚醚酮（Polyether-ether-ketone，PEEK）具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性、良好的電解液浸潤(rùn)性和穩(wěn)定的化學(xué)惰性，適合用于鋰離子電池隔膜。但由于PP對(duì)PEEK的粘附性較差，所以需要先對(duì)商業(yè)化PP隔膜進(jìn)行表面活化，提高其對(duì)PEEK涂層的粘附性。

碳納米管（Carbon nanotube，CNT）是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的一維量子材料；它重量輕，具有高電導(dǎo)率；連接完美的六邊形結(jié)構(gòu)提供了高拉伸強(qiáng)度和剛性，并能促進(jìn)Li⁺的均勻存儲(chǔ)和分散。這些特點(diǎn)使CNT非常適合應(yīng)用在電池材料中，常用作鋰離子電池的優(yōu)良導(dǎo)電添加劑。電池隔膜本身應(yīng)當(dāng)完全絕緣，將 CNT添加到隔膜一側(cè)涂層中，能夠制備一種單面導(dǎo)電的 Janus復(fù)合 PP隔膜。將導(dǎo)電一側(cè)面對(duì)正極，在提高正極側(cè)導(dǎo)電率的同時(shí)，可促進(jìn)Li⁺的均勻存儲(chǔ)和傳輸，降低界面阻抗，從而提高電化學(xué)性能。

本研究將含CNT的PEEK涂覆在PP的一側(cè)制備成單面導(dǎo)電的Janus復(fù)合PP隔膜（PP@C），具體步驟為將一定質(zhì)量的 CNT和 PEEK溶于硫酸/甲烷磺酸的混合溶液中，制備成 CNT含量不同的 PEEK涂覆液，同時(shí)用臭氧對(duì)PP隔膜進(jìn)行氧化處理，使其表面產(chǎn)生羥基和羧基等活性基團(tuán)，提高對(duì)PEEK涂層的粘附性，然后將涂覆液涂覆在 PP膜上，迅速轉(zhuǎn)入甲醇/水溶液中通過相轉(zhuǎn)化法固化成多孔膜。研究表明，所制備的單面導(dǎo)電的多孔 PP@C復(fù)合膜具有優(yōu)異的尺寸熱穩(wěn)定性和電化學(xué)性能。

表 1 隔膜的物理性能

圖1 PP@C復(fù)合隔膜在180 ℃下熱處理0. 5 h的前（A-C）、后（D-F）的照片

圖2 （A）CNT的透射電子顯微鏡（TEM）圖片；PP@C復(fù)合隔膜表面的SEM圖片（B）PP，（C）PP@C2，（D）PP@C5

圖 3 PP@C 復(fù)合隔膜的電化學(xué)性能：（A）EIS圖；（B）電化學(xué)阻抗曲線；（C）Li/隔膜/LiFePO4電池循環(huán)曲線；（D）電池倍率性能曲線

本研究通過 PEEK/CNT 復(fù)合溶液涂覆改性 PP隔膜成功制備了具有高熱穩(wěn)定性和優(yōu)異電化學(xué)性能的Janus復(fù)合隔膜PP@C。復(fù)合隔膜PP@C具有超高的尺寸熱穩(wěn)定性，在180 ℃下熱處理0.5 h不會(huì)發(fā)生熔融變形，顯著提高隔膜的尺寸熱穩(wěn)定性和電池的安全性。此外，復(fù)合隔膜PP@C表現(xiàn)出較高的電解質(zhì)潤(rùn)濕性，PP@C2的電解質(zhì)吸收率為193. 8%，有利于Li⁺的傳輸，從而獲得更好的電化學(xué)性能。PP@C2離子電導(dǎo)率高達(dá)1.18×10^-3 S/cm。采用 PP@C2 組裝的 LIBs 在 0.2 C 時(shí)的放電比容量為 157.6 mA·h/g，2 C時(shí)的放電比容量為129.8 mA·h/g，且從2 C恢復(fù)至0.2 C放電時(shí)，容量恢復(fù)率達(dá)到99%以上。這是由于涂覆層中PEEK的高熱穩(wěn)定性和對(duì)電解液的良好浸潤(rùn)性，以及CNT的高導(dǎo)電率和對(duì)Li+的均勻存儲(chǔ)和分散，使隔膜能夠在提高電池安全性的前提下，還能具有優(yōu)異的電化學(xué)性能。

呼微

研究領(lǐng)域：天然高分子復(fù)合材料研究及開發(fā)；聚烯烴聚合及微結(jié)構(gòu)研究；納米雜化材料研究及高性能聚合物的功能化等。

郵箱：huw884@nenu.edu.cn