[发明专利]一类芳香杂环酮类化合物的锂离子二次电池正极材料及应用

说明书

技术领域

本发明属于储能材料技术领域。具体涉及一种含杂原子的酮、醌类化合物的有机材料，并涉及这些有机储能材料及其不同晶态的微纳尺寸颗粒粉体在锂离子二次电池正极材料、钠离子电池正极材料、电容器等储能技术等领域的应用

背景技术

锂离子二次电池具有很高的能量储存和功率密度而成为当今盛行的移动电子设备最为重要的能量储存和供应来源器件/元件。在若干年的研究基础以及当今日新月异的技术更新和更高性能移动设备能源供应的需求背景下，技术条件和应用范围得到强有力的推动和发展，同时，锂离子电池的发展趋向满足多功能化、高性能化的应用领域，如大屏幕智能电脑、大容量快速充电电动车、大功率充电站等。

锂离子二次电池的功能原理是以离子嵌入为机制，主要以石墨等碳基材料为负极材料，正极材料为锂金属氧化物、锂磷酸盐等，由于这些正极主体材料较低的容量，其较低的能量效率、功率从而限制了其应用领域的范围。

正极材料是锂离子二次电池性能最为重要的关键因素。为了得到具有高性能、大功率的锂离子电池能源器件，有人从储能机理的角度将锂离子二次电池进行了从嵌入反应机制改为转化机制的改进并得到了验证。例如，荷质比高同时能够进行多电子反应且具有高达900mAh/g理论容量的有机分子正极材料。有机正极材料其具有理论容量高、价廉易得、可回收、材料制备简单、条件温和、原子经济性、绿色环保等优点。

含羰基的有机化合物是近年来兴起的一类新的电化学储能材料，方兴未艾，正在得到极大的关注和研究拓展（Yanliang Liang,Zhanliang Tao,Jun Chen.Organic electrode materials for rechargeable lithium batteries,Advanced Energy Materials,2012,2(7),742-769；Xiaoyan Han,Caixian Chang,Liangjie Yuan,Taolei Sun and Jutang Sun,Aromatic carbonyl derivative polymers as high-performance Li-ion storage materials,Advanced Materials,2007,19，1616；S.Wang,L.Wang,K.Zhang,Z.Zhu,Z.Tao,J.Chen,Organic Li4C8H2O6nanosheets for lithium-ion batteries,Nano Letters2013,13,4404-4409;H.Chen,M.Armand,G.Demailly,F.Dolhem,P.Poizot,J.-M.Tarascon,From biomass to a renewable LiXC6O6organic electrode for sustainable Li-ion batteries,ChemSusChem2009,2,198-198；W.Huang,Z.Zhu,L.Wang,S.Wang,H.Li,Z.Tao,J.Shi,L.Guan,J.Chen,Angewandte Chemie International Edition,Quasi-solid-state rechargeable lithium-ion batteries with a calix[4]quinone cathode and gel polymer electrolyte,2013,52,9162-9166；Zhiping Song,Hui Zhan,and Yunhong Zhou.Polyimides:Promising energy-storage materials,Angewandte Chemie International Edition,2010,49,8444；Z.Song,H.Zhan,Y.Zhou,Anthraquinone based polymer as high performance cathode material for rechargeable lithium batteries,Chemical Communications2009,448-450；T.Nokami,T.Matsuo,Y.Inatomi,N.Hojo,T.Tsukagoshi,H.Yoshizawa,A.Shimizu,H.Kuramoto,K.Komae,H.Tsuyama,J.-I.Yoshida,Journal of the American Chemical Society,Polymer-bound pyrene-4,5,9,10-tetraone for fast-charge and-discharge lithium-ion batteries with high capacity,2012,134,19694-19700；M.Armand1,S.Grugeon,H.Vezin,S.Laruelle,P.Ribière1,P.Poizot and J.-M.Tarascon,Conjugated dicarboxylate anodes for Li-ion batteries,Nature Materials2009,8,120-125；Yanliang Liang,Peng Zhang and Jun Chen,Function-oriented design of conjugated carbonyl compound electrodes for high energy lithium batteries,Chemical Science,2013,4,1330-1337）。迄今已经有多种有机化合物应用于锂离子二次电池正极材料，已知的有小分子酰亚胺、聚酰亚胺、二酮类、杯醌(calixquinone)、共轭二羧基化合物等几种。而含羰基且可用于锂离子二次电池正极材料的众多的有机化合物中，亟待发掘更多候选有机化合物，通过调控材料的微纳尺度颗粒大小和形状、结晶方式等来提高羰基基团利用率等方法来增加、丰富锂离子电池正极材料分子库，进一步优化改进筛选高能量密度、功率密度并具有价格优势的实用型的离子二次电池有机正极材料。