与传统的锂离子电池（LIB）相比，由电池型负极和电容型正极组成的锂离子电容器（LIC）在倍率性能和功率密度方面具有明显的优势。然而，商用石墨负极材料有限的理论比容量（350 mAh g-1）限制了LIC进一步的商业化。在磷的三种同素异形体（白磷（WP）、红磷（RP）和黑磷（BP））中，具有大层间距的二维BP具有高离子传导性，可在LIC中实现快速充放电过程。然而，BP在循环过程中会发生明显的体积变化，导致电极快速粉化和活性材料剥离，这一点与所有合金型负极相似。此外，BP在锂化过程中会受到可溶性多磷酸盐（LixPs）中间体的穿梭效应，这也会导致活性物质不可逆地迁移到正极，容量迅速下降。此外，BP容易被氧化，这给在空气中组装LIC带来了巨大挑战。因此，在实际应用中，还需一系列物理和化学的保护措施来解决BP的上述问题。
粘结剂可提供粘合网络，将电极内的所有成分整合在一起。高分子粘结剂作为一种有机物，具有良好的弹性和与活性物质的强粘合性，分子间结合强度高，可作为坚固的框架来减轻BP负极的膨胀和粉碎。更重要的是，功能性粘结剂已被证明可用来捕获锂硫（S）电池中的可溶性多硫化物，并加速氧化还原反应的动力学过程。粘结剂网络作为物理保护剂来抑制体积膨胀，防止活性材料与电解质直接接触，可在一定程度上抑制活性物质的损失。然而，在BP负极应用中有关设计分子级粘结剂以增强LixPs化学粘附性和电极机械强度的研究仍处于起步阶段。
研究内容
基于上述背景，中国科学院电工研究所马衍伟研究员、王凯研究员和北京化工大学于乐教授团队设计了具有化学吸附性功能化的粘结剂助力黑磷负极应用在锂离子电容器中。通过席夫碱反应将3,4-二羟基苯甲醛的邻苯二酚官能团接枝到壳聚糖（CS）上。邻苯二酚官能团的加入使接枝壳聚糖（GCS）具有良好的抗湿粘附能力，从而使BP负极在充放电过程中保持其结构完整性并改善其体积膨胀问题。同时还揭示了GCS粘结剂中的官能团在抑制LixPs穿梭效应时的关键作用，可防止电极颗粒脱落和活性物质溶解。这项研究将为今后在分子水平上设计用于BP负极的多功能粘结剂提供启示。
其成果以题为“Functional Binder with Enhanced Chemical Adsorption for Black Phosphorus Anode in Lithium-Ion Capacitors”在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表，北京化工大学2021级硕士生刘柯炜和中国科学院电工研究所博士后马一博为共同第一作者，通讯作者为中国科学院电工研究所马衍伟研究员、王凯研究员和北京化工大学于乐教授。
论文信息： K. W. Liu, Y. Ma, Y. Guo, H. Wang, Y. Xu, X. Zhang, X. Zhang, X. Sun, K. Wang*, L. Yu*, Y. Ma*, Functional Binder with Enhanced Chemical Adsorption for Black Phosphorus Anode in Lithium-Ion Capacitors, Adv. Funct. Mater. DOI: 10.1002/adfm.202410451 (2024). Link