聚醚醚酮/碳纳米管改性聚丙烯Janus复合隔膜的制备及性能

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.220065

摘要/Abstract

摘要：

锂离子电池（LIBs）因其在电动汽车领域的广阔前景而受到广泛关注。然而，由于商业化聚烯烃隔膜的热尺寸稳定性差和电解液浸润性低，锂离子电池的安全问题和低倍率性能限制了它们的进一步发展。将高热稳定性和高力学性能的聚醚醚酮（PEEK）/碳纳米管（CNT）涂覆改性聚丙烯（PP）隔膜，得到单面导电的Janus复合隔膜并进行了研究。具体步骤是将CNT与PEEK（质量分数为7%）的硫酸/甲烷磺酸溶液进行溶液复合，制备涂覆液，涂覆在经过臭氧氧化改性的PP隔膜上，再以甲醇/水为凝固浴，在膜表面采用溶液相转化法致孔，得到单面导电的多孔Janus复合PP隔膜（PP@C）。 PP@C复合膜在180 ℃下0.5 h没有出现熔融变形（仅略微形变），表现出优异的尺寸热稳定性； PP@C2复合膜的电解质吸收率为193.8%，较PP膜提高了64.5%，表现出非常好的电解液浸润性。采用PP@C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，表现出良好的倍率性能，且从高倍率恢复至低倍率放电时，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的高导电率和对锂离子（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，同时具有优异的电化学性能。

关键词: 聚醚醚酮, 碳纳米管, 相转化, 尺寸热稳定性, Janus复合隔膜

Abstract:

Lithium-ion batteries （LIBs） have attracted wide attention because of their broad prospects in electric vehicles. However， the safety problems and low multiplier performance of the commercial polyolefin separator limit their further development， due to the poor dimensional thermal stability and low electrolyte absorption rate. Poly（ether ether ketone）（PEEK） and carbon nanotube （CNT） are compounded to coat on polypropylene （PP） to prepare Janus composite separator （PP@C） through the phase inversion method. PP@C composite separator does not deform at 180 ℃ for 0.5 h （only slight deformation）， illustrating excellent thermal stability. The electrolyte absorption rate of PP@C2 is 193.8%. The electrolyte uptake rate of the PP@C2 composite membrane was 193.8%， which was 64.5% higher than the PP membrane， showing a superduper electrolyte permeability. As a result， the specific discharge capacity of LIBs assembled with PP@C2 composite separator is 157.6 mA·h/g at 0.2 C and 129.8 mA·h/g at 2 C， showing good rate performance with the capacity recovery rate of more than 99%. This might be attributed to the ultra-high thermal stability of PEEK， the good affinity of the electrolyte， the high conductivity of CNT， as well as the uniform dispersion of Li⁺， so that the separator can have excellent electrochemical performance while improving safety.

Key words: Polyether ether ketone, Carbon nanotube, Phase inversion, Dimensional thermal stability, Janus composite separator

中图分类号:

O625.4

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图/表 4

表1 隔膜的物理性能

Table 1 Physical properties of separators

复合隔膜

Composite membrane

臭氧用量

m（Ozone）/g

厚度

Thick ness/μm

孔隙率

Porosity/%

吸液率

Electrolyte uptake/%

热收缩率

Thermal shrinkage/%

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

Fig.1 Images of separators before （A-C） and after （D-F） heat treatment at 180 ℃ for 0.5 h， respectively

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

Fig.2 （A） TEM image of the CNT； SEM images of the surface of PP@C composite separators （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

Fig.3 Electrochemical properties of the PP@C composite separators：（A） EIS graph；（B） Electrochemical impedance curves；（C） Cycling performances of Li/separator/LiFePO4 batteries；（D） C-rate discharge capacity

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