鋰離子電池憑借其高能量密度、長壽命和無記憶效應等優點已被廣泛地應用于各種便攜式電子設備和動力裝置。隔膜作為鋰離子電池的重要組成部分，其主要作用是傳輸離子和隔離電子，這對電池的充放電性能及安全性至關重要。雖然至今商品化鋰離子電池隔膜材料仍主要采用聚烯烴，但是這類隔膜的低表面能和強疏水性導致其與電解液之間較差的浸潤性和較低的吸液率，從而使得其電導率不高。為了解決這些問題，基于貽貝仿生化學的表面改性技術已經廣泛地應用于提高聚烯烴類隔膜的性能，并取得了巨大的成功。然而，聚多巴胺的沉積時間長，涂層在極性有機電解液中的穩定性差，并且被電解液洗脫的聚多巴胺顆粒會影響鋰離子的遷移速率，這些問題都限制了貽貝仿生化學在電池隔膜領域中的發展。
基于上述背景，浙江大學高分子系聚合物分離膜及其表界面工程課題組采用前期開發的聚多巴胺快速沉積方法，以CuSO4和H2O2作為氧化劑，制備了聚多巴胺涂層改性的聚丙烯電池隔膜，研究了其耐有機電解液性(圖1)、熱穩定性(圖2)、表面潤濕性和電解液吸收率(圖3)以及涂層均勻性(圖4)，結果表明這些關鍵性的性能都優于傳統聚多巴胺改性的隔膜。受益于隔膜性能的提升，CuSO4/H2O2氧化多巴胺改性的隔膜在5 C放電速率下的放電容量高達73.9 mAh·g-1 (圖5)，遠高于傳統聚多巴胺改性的隔膜，并展現出優異的循環性能。
圖1. 不同方法制備聚多巴胺涂層改性隔膜的耐電解液性: (a) CuSO4/H2O2作為氧化劑; (b)空氣氧化法
圖2. 不同聚丙烯隔膜的熱穩定性(150 °C): (a, b) 未改性的隔膜; (c, d) 空氣氧化多巴胺改性的隔膜; (e, f) CuSO4/H2O2氧化多巴胺改性的隔膜
圖3. 不同聚丙烯隔膜的電解液接觸角: (a) 未改性的隔膜, (b) 空氣氧化多巴胺改性的隔膜, (c) CuSO4/H2O2氧化多巴胺改性的隔膜; (d) 不同聚丙烯隔膜的電解液吸收率
圖4. 不同聚丙烯隔膜的表面形貌: (a) 未改性的隔膜; (b) 空氣氧化多巴胺改性的隔膜; (c) CuSO4/H2O2氧化多巴胺改性的隔膜
圖5. 不同方法制備聚多巴胺涂層改性隔膜組裝的電池在不同放電速率條件下的放電容量
張超博士是該論文的第一作者，伍廣朋研究員和徐志康教授為通訊作者。該項工作得到國家自然科學基金(No. 21534009)和浙江省自然科學基金(No. LZ15E030001)的資助。
該工作即將發表于Chinese Journal of Polymer Science 2019年第10期 "The 100th Anniversary of the Birth of Prof. Shi-Lin Yang"專輯。
論文鏈接：https://link.springer.com/article/10.1007/s10118-019-2310-4
