CN103531810B - 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 - Google Patents

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 Download PDF

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Abstract

一类芳香杂环酮类化合物的锂离子二次电池正极材料，是以具有芳香杂环酮或酮醌为电化学氧化还原位点的酮类化合物，包括芳香杂环酮和芳香杂环酮醌类衍生物，该类化合物以小分子或聚合物以无定形态或者具有α、β、γ等不同相态或者混合相态的微米晶、纳米晶的形式参与电极制备，在其聚合物形式中，相应的结构单元通过C-C键或者多键并环结构直接相连。该材料是具有二羰基桥连共轭芳香骨架的材料，具有如下结构：该材料具有：（1）结构丰富，材料廉价易得；（2）较高的能量密度、倍率功率密度和循环稳定性；和（3）循环150周后仍保持初始容量的80%等优点。

Description

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
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（YanliangLiang,ZhanliangTao,JunChen.Organicelectrodematerialsforrechargeablelithiumbatteries,AdvancedEnergyMaterials,2012,2(7),742-769；XiaoyanHan,CaixianChang,LiangjieYuan,TaoleiSunandJutangSun,Aromaticcarbonylderivativepolymersashigh-performanceLi-ionstoragematerials,AdvancedMaterials,2007,19，1616；S.Wang,L.Wang,K.Zhang,Z.Zhu,Z.Tao,J.Chen,OrganicLi4C8H2O6nanosheetsforlithium-ionbatteries,NanoLetters2013,13,4404-4409;H.Chen,M.Armand,G.Demailly,F.Dolhem,P.Poizot,J.-M.Tarascon,FrombiomasstoarenewableLiXC6O6organicelectrodeforsustainableLi-ionbatteries,ChemSusChem2009,2,198-198；W.Huang,Z.Zhu,L.Wang,S.Wang,H.Li,Z.Tao,J.Shi,L.Guan,J.Chen,AngewandteChemieInternationalEdition,Quasi-solid-staterechargeablelithium-ionbatterieswithacalix[4]quinonecathodeandgelpolymerelectrolyte,2013,52,9162-9166；ZhipingSong,HuiZhan,andYunhongZhou.Polyimides:Promisingenergy-storagematerials,AngewandteChemieInternationalEdition,2010,49,8444；Z.Song,H.Zhan,Y.Zhou,Anthraquinonebasedpolymerashighperformancecathodematerialforrechargeablelithiumbatteries,ChemicalCommunications2009,448-450；T.Nokami,T.Matsuo,Y.Inatomi,N.Hojo,T.Tsukagoshi,H.Yoshizawa,A.Shimizu,H.Kuramoto,K.Komae,H.Tsuyama,J.-I.Yoshida,JournaloftheAmericanChemicalSociety,Polymer-boundpyrene-4,5,9,10-tetraoneforfast-chargeand-dischargelithium-ionbatterieswithhighcapacity,2012,134,19694-19700；M.Armand1,S.Grugeon,H.Vezin,S.Laruelle,P.Ribière1,P.PoizotandJ.-M.Tarascon,ConjugateddicarboxylateanodesforLi-ionbatteries,NatureMaterials2009,8,120-125；YanliangLiang,PengZhangandJunChen,Function-orienteddesignofconjugatedcarbonylcompoundelectrodesforhighenergylithiumbatteries,ChemicalScience,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。
发明内容
技术问题：本发明的目的在于基于以上有机化合物作为锂离子二次电池正极材料的特点，提供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。
技术方案：本发明的一类芳香杂环酮或酮醌类化合物作为锂离子二次电池正极材料，是以具有芳香杂环酮或酮醌为电化学氧化还原位点的有机化合物，包括芳香杂环酮和芳香杂环酮醌类衍生物。该类化合物以芳香共轭酮或酮醌骨架上的羰基与锂离子的反应为作用机制并以羰基为反应活性位点，酮羰基、酮醌羰基是都是有机化合物正极材料中普遍使用的活性官能团之一，能够用于实现较高的比容量、更正的氧化还原电位和更高的放电电位。较大的共轭芳香杂环结构可以使得到电子的还原产物更趋于稳定，同时能够进一步提高比容量的充放电循环周期次数;此外芳香杂环结构可以调节材料的相态、电子和离子亲和性，进一步提高改进材料的比容量、能量密度、倍率功率密度和高次数值循环稳定性。该类化合物以小分子或聚合物以无定形态或者具有α、β、γ等不同相态或者混合相态的微米晶、纳米晶的形式参与电极制备，在其聚合物形式中，相应的结构单元通过C-C键或者多键并环结构直接相连。
本发明的一类芳香杂环酮类化合物的锂离子二次电池正极材料是以芳香杂环结构的羰基苯、羰基苯醌为电化学氧化还原反应位点的酮类化合物，包括芳香杂环酮和芳香杂环酮醌衍生物，其结构通式如通式I所示：
通式I
式中：
X为无或单键或羰基或CR1R2，X具体为如下结构：
其中，R1、R2为0至40个碳原子的烷基或烯基或炔基或卤素或为0至40个碳原子的烷基或烯基或炔基或卤素或氰基或硝基取代的双键或苯环或萘环或噻吩或呋喃基团，R1、R2相同或不同；
A为氮或氧或硫或SO2；
n1、n2为1或者2-5000的混合；n1、n2相同或不同；
Ar1为无或双键或苯环或苯醌环或异苯醌环或萘环或萘醌环结构，Ar1具体为如下结构：
Ar2为双键或苯环或者萘环，Ar2具体为如下结构：
Ar3为双键或苯环或者萘环：
其中R为0至40个碳原子的烷基或烯基或炔基或卤素或氰基或硝基。
当X为无时，化合物材料I具体为如下分子材料结构通式I-1：
式中：
A为氮、氧、硫、SO2；
n1、n2为1或者2-5000的混合；n1、n2相同或不同；
Ar1为双键或苯环或苯醌环或异苯醌环或萘环或萘醌环结构，Ar2、Ar3为0至40个碳原子的烷基或烯基或炔基或卤素或氰基或硝基取代的双键或芳环基团，Ar2、Ar3相同或者不同；
当A为氧或硫或SO2时，Ar2为无；当A为氮时，Ar2为氢或具有0至40个碳原子的烷基或烯基或炔基或为0至40个碳原子的烷基或烯基或炔基或卤素或氰基或硝基取代的芳环基团。
当X为单键或羰基或CR1R2时，化合物材料I可具体为如下分子材料结构通式I-2：
式中：
X为单键或羰基或CR1R2；CR1R2，R1、R2为0至40个碳原子的烷基或烯基或炔基或卤素或为0至40个碳原子的烷基或烯基或炔基或卤素或氰基或硝基取代的双键或苯基或者萘基，R1、R2相同或不同；
A为氮；
n1、n2为1或者2-5000的混合；n1、n2相同或不同；
Ar1为双键或苯环或苯醌环或异苯醌环或萘环或萘醌环结构，Ar2、Ar3为0至40个碳原子的烷基或烯基或炔基或卤素或氰基或硝基取代的双键或苯基或者萘基，Ar2、Ar3相同或者不同。
本发明的一类芳香杂环酮类化合物的锂离子二次电池正极材料的应用方法：化合物材料I无定形态、棒状、球状、片状、针状的微米级颗粒、纳米级颗粒、微纳晶颗粒材料作为正极材料的应用。
具体方法如下：
将无定形态或晶态或具有微纳尺寸颗粒的活性有机材料的芳香杂环酮或芳香杂环酮醌化合物、导电碳类材料和添加剂在有机溶剂中分散混合，加入足量的有机溶剂后，搅拌4-36小时使其形成均一浆料，涂布在铝箔集流体上，涂好的电极在空气中或者真空干燥箱中干燥4-36小时后得到正电极，干燥温度为273-473K；然后用压片机裁剪制成电极片；在充满氩气的手套箱中以该电极片做正极，两电极以隔膜分开，锂盐的有机溶剂溶液做电解液，以金属锂或含锂合金为负极，在氩气、氮气或者干燥空气中组装得到锂离子二次电池。
所述活性有机材料为芳香杂环酮或芳香杂环酮醌化合物；导电碳类材料为炭黑或石墨或两者混合物；添加剂为石墨烯、多孔碳、活性炭、木炭、氧化铝、氧化硅、氧化镁、氧化锌、氧化铜、氧化铬、聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯中的一种或多种按照任意比例所得到的混合添加剂；有机溶剂为二甲基亚砜、N,N-二甲基乙酰胺、N,N-二甲基甲酰胺、环丁砜、丙二醇、N-甲基吡咯烷酮、己内酰胺、三乙烯二胺或1,5-二氮杂双环[4.3.0]壬-5-烯中的一种或者多种任意比例得到的混合溶剂；活性物质、导电碳类材料和添加剂的质量份额为10-90:10-90：0-50，有机溶剂与活性物质的质量比为1-30：1；集流体是泡沫铜、泡沫不锈钢泡沫镍、泡沫铝、泡沫铁镍合金、泡沫铁、铜网、铜片、铁网、铁片、铝网、铝片、不锈钢网或不锈钢片。
所述含锂合金为锂铝合金，其中锂的重量含量为10-80%，隔膜为聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯酸酯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯、纤维素、聚碳酸酯、和玻璃纤维的一种或多种的任意混合比例的混合隔膜；电解液为由锂盐溶解于溶剂的溶液，锂盐在溶剂中的浓度为0.1-2mol/L，其中锂盐为高氯酸锂、四氟硼酸锂或六氟磷酸锂与双（三氟甲基磺酰）亚胺锂的一种或多种的任意混合比例的混合锂盐，溶剂为碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸甲乙酯、二甲基亚砜、N,N-二甲基乙酰胺、N,N-二甲基甲酰胺、环丁砜、丙二醇、N-甲基吡咯烷酮、己内酰胺、三乙烯二胺、1,5-二氮杂双环[4.3.0]壬-5-烯、1,3-二噁烷、1-甲基-3-烷基咪唑盐和1，2-二甲基-3-烷基咪唑盐中的一种或多种的任意混合比例的混合溶剂；其中烷基咪唑盐中的烷基为0至40个碳原子的烷基；阴离子为BF4 -、PF6 -、Cl-、F-、SO4 2-、NO3 -、I-、H2PO4 -、ClO4 -、Ac-、Br-、SbF6 -、CN-、CF3COO-、(CH3SO2)2N-CH3SO3 -或CF3SO3 -。
有益效果：该类分子材料也可以应用于储能材料中的电存储、超级电容器等有机电子领域。
本发明的主要优点在于：
1.结构丰富，可商业购买或者易于制备；
2.具有良好的循环稳定性。
该类化合物以芳香共轭酮或酮醌骨架上的羰基与锂离子的反应为作用机制并以羰基为反应活性位点，酮羰基、酮醌羰基是都是有机化合物正极材料中普遍使用的活性官能团之一，能够用于实现较高的比容量、更正的氧化还原电位和更高的放电电位。该类材料具有放电比容量高（～95mAh/g）、功率密度高和循环性能好（循环150周后仍保持初始容量的80%）的优点，较大的共轭芳香杂环结构可以使得到电子的还原产物更趋于稳定，同时能够进一步提高比容量的充放电循环周期次数；此外芳香杂环结构可以调节材料的相态、电子和离子亲和性，进一步提高改进材料的比容量、能量密度、倍率功率密度和高次数值循环稳定性。有望应用于下一代低成本、高容量、高功率、绿色环保的储能电池正极材料。
附图说明
图1以喹吖啶酮紫为正极材料的锂离子二次电池在30%C条件下的首次恒流充放电曲线；
图2以喹吖啶酮紫为正极材料的锂离子二次电池在不同倍率下的循环充放电容量保持曲线；
图3以喹吖啶酮紫为正极材料的锂离子二次电池在30%C条件下的循环充放电容量保持曲线。
图4以喹吖啶酮紫为正极材料的锂离子二次电池在30%C条件下的首次恒流充放电曲线；
图5以喹吖啶酮紫为正极材料的锂离子二次电池在不同倍率下的循环充放电容量保持曲线；
图6以喹吖啶酮紫为正极材料的锂离子二次电池在30%C条件下的循环充放电容量保持曲线；
图7以喹吖啶酮醌为正极材料的锂离子二次电池在不同倍率下的循环充放电容量保持曲线；
图8以喹吖啶酮醌为正极材料的锂离子二次电池在30%C条件下的循环充放电容量保持曲线。
具体实施方式
一类可应用于锂离子二次电池芳香杂环酮、醌类化合物正极材料，是以具有芳香杂环酮或酮醌共轭骨架中羰基为电化学氧化还原反应位点的多羰基有机化合物，因此本发明涉及通式I化合物：
通式I
通式I中：
X无或单键或羰基或CR1R2；CR1R2，R1、R2为0至40个碳原子的烷基或烯基或炔基或卤素或为0至40个碳原子的烷基或烯基或炔基或卤素或氰基或硝基取代的双键或苯环或萘环基团，R1、R2相同或不同；
A为氮或氧或硫或SO2；
n1、n2为1或者2-5000的混合；n1、n2相同或不同；
Ar1为双键或苯环或苯醌环或异苯醌环或萘环或萘醌环结构，Ar2、Ar3为0至40个碳原子的烷基或烯基或炔基或卤素或氰基或硝基取代的双键或苯环或者萘环，Ar2、Ar3相同或者不同；
当A为氧或硫或SO2时，X、Ar2为无；当A为氮时，Ar2为氢或具有0至40个碳原子的烷基、烯基、炔基、或0至40个碳原子的烷基或烯基或炔基或卤素或氰基或硝基取代的芳环基团。
在本发明涉及化合物的优选实施方式中，A为氮或氧、硫、SO2；n1、n2为1或2-5000的混合；n1、n2相同或不同；Ar1为双键或苯环或苯醌环或异苯醌环或萘环或萘醌环结构，Ar2、Ar3为0至40个碳原子的烷基或烯基或炔基或卤素或氰基或硝基取代的双键或芳环基团，Ar2、Ar3相同或者不同；当A为氧或硫或SO2时，Ar2为无；当A为氮时，Ar2为氢或具有0至40个碳原子的烷基或烯基或炔基或为0至40个碳原子的烷基或烯基或炔基或卤素或氰基或硝基取代的芳环基团具体为：
其中，Ar2为H或0至40个碳原子的烷基或0至40个碳原子的烷基或烯基或炔基或卤素或氰基或硝基取代的双键或苯环或者萘环。
在本发明涉及化合物的优选实施方式中，当X为单键或羰基或CR1R2时，R1、R2为0至40个碳原子的烷基或烯基或炔基或卤素或为0至40个碳原子的烷基或烯基或炔基或卤素或氰基或硝基取代的双键或苯环或萘环基团，R1、R2相同或不同；Ar1为无或双键或苯环或苯醌环或异苯醌环或萘环或萘醌环结构，Ar2为H或0至40个碳原子的烷基或0至40个碳原子的烷基或烯基或炔基或卤素或氰基或硝基取代的双键或苯基或者萘基，Ar3为含0至40个碳原子的烷基或烯基或炔基或卤素或氰基或硝基取代的苯环时，化合物材料I可具体为如下符合通式I-2分子材料结构具体为：
其中，当Ar1为无、A与A重合、Ar2与Ar3重合时，化合物材料I可具体为如下符合通式I-2分子材料结构具体为：
化合物材料I的无定形态、棒状、球状、片状的微米级颗粒、纳米级颗粒、微纳晶等粉末颗粒材料作为正极材料的应用。
在本发明涉及化合物的优选实施方式中，方法如下：将活性有机材料、导电碳类材料和添加剂在有机溶剂中分散混合，加入足量的有机溶剂后，搅拌4-36小时使其形成均一浆料，涂布在铝箔集流体上，涂好的电极在空气中或者真空干燥箱（0Pa-2MPa）中干燥4-36小时后得到正电极，干燥温度为273-473K；然后用压片机裁剪制成电极片；在充满氩气的手套箱中以该电极片做正极，两电极以隔膜分开，锂盐的有机溶剂（如，碳酸二乙酯、碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯和碳酸乙烯酯）溶液做电解液，以金属锂或含锂合金为负极，在氩气、氮气或者干燥空气中组装得到锂离子二次电池。
在本发明涉及化合物的优选实施方式中：所述活性有机材料为芳香杂环酮或芳香杂环酮醌化合物；导电碳类材料为炭黑或石墨或两者混合物；添加剂为石墨烯、多孔碳、活性炭、木炭、氧化铝、氧化硅、氧化镁、氧化锌、氧化铜、氧化铬、聚四氟乙烯和聚偏氟乙烯中的一种或多种按照任意比例所得到的混合添加剂；有机溶剂为二甲基亚砜、N,N-二甲基乙酰胺、N,N-二甲基甲酰胺、环丁砜、丙二醇、N-甲基吡咯烷酮、己内酰胺、三乙烯二胺、1,5-二氮杂双环[4.3.0]壬-5-烯中的一种或者多种任意比例得到的混合溶剂；活性物质、导电碳类材料和添加剂的质量份额为10-90:10-90：0-50，有机溶剂与活性物质的质量比为1-30：1；集流体可以是泡沫铜、泡沫不锈钢泡沫镍、泡沫铝、泡沫铁镍合金、泡沫铁、铜网/片、铁网/片、铝网/片、不锈钢网/片。
在本发明涉及化合物的优选实施方式中：所述含锂合金为锂铝合金，其中锂含量为10-80%，隔膜为聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯酸酯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯、纤维素、聚碳酸酯、和玻璃纤维的一种或多种的任意混合比例的混合隔膜；电解液为由锂盐按照一定浓度溶解于溶剂的溶液，锂盐在溶剂中的浓度为0.1-2mol/L，其中锂盐为高氯酸锂、四氟硼酸锂、六氟磷酸锂与双（三氟甲基磺酰）亚胺锂的一种或多种的任意混合比例的混合锂盐，溶剂为碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸甲乙酯、二甲基亚砜、N,N-二甲基乙酰胺、N,N-二甲基甲酰胺、环丁砜、丙二醇、N-甲基吡咯烷酮、己内酰胺、三乙烯二胺、1,5-二氮杂双环[4.3.0]壬-5-烯、1,3-二噁烷、1-甲基-3-烷基咪唑盐和1，2-二甲基-3-烷基咪唑盐中的一种或多种的任意混合比例的混合溶剂。其中烷基咪唑盐中的烷基为0至40个碳原子的烷基；阴离子为BF4 -、CN-、CF3COO-、CH3SO3 -、F-、SO4 2-、I-、Ac-、NO3 -、H2PO4 -、PF6 -、SbF6 -、ClO4 -、Br-、Cl-、(CH3SO2)2N-或CF3SO3 -。
为了更好地理解本发明专利的内容，下面通过具体的实例来进一步说明本发明的技术方案，具体包括集流体制备、性质测定和器件制备，但实施例并不用于限制本发明。
实施例1、以喹吖啶酮紫（微米尺寸的棒状颗粒）为正极材料进行锂离子二次电池性能的测试：把60毫克喹吖啶酮为正极材料、30毫克炭黑和10毫克聚偏氟乙烯(PVDF)混合，加入足量的N-甲基吡咯烷酮后，然后涂布在铝箔上。涂好的电极放到真空烘箱中，于373K下干燥12小时。最后用压片机裁剪制成电极片。在充满氩气的手套箱中以该电极片做正极、聚乙烯做隔膜、六氟磷酸锂/碳酸二甲酯做电解液（1mol/L）、锂片作负极组装成锂离子二次电池。
电池在电流密度为50mA/g的条件下进行恒流充放电，放电电压范围为1.5-4.5V。电池在50mA/g的循环放电容量保持曲线如图3所示，经过150周循环，放电容量稳定在约95mAh/g。
实施例2、以二吲哚并喹吖啶酮（纳米尺寸的粉末颗粒）为正极材料进行锂离子二次电池性能的测试：把60毫克二吲哚并喹吖啶酮为正极材料、30毫克炭黑和10毫克聚偏氟乙烯(PVDF)混合，加入足量的N-甲基吡咯烷酮后，然后涂布在铝箔上。涂好的电极放到真空烘箱中，于373K下干燥12小时。最后用压片机裁剪制成电极片。在充满氩气的手套箱中以该电极片做正极、聚乙烯做隔膜、六氟磷酸锂/碳酸二甲酯做电解液（1mol/L）、锂片作负极组装成锂离子二次电池。
电池在电流密度为50mA/g的条件下进行恒流充放电，放电电压范围为1.5-4.5V。电池在50mA/g的循环放电容量保持曲线如图6所示，经过100周循环，放电容量稳定在约110mAh/g。
实施例3、以喹吖啶酮醌粉末为正极材料进行锂离子二次电池性能的测试：把60毫克喹吖啶酮醌为正极材料、30毫克炭黑和10毫克聚偏氟乙烯(PVDF)混合，加入足量的N-甲基吡咯烷酮后，然后涂布在铝箔上。涂好的电极放到真空烘箱中，于373K下干燥12小时。最后用压片机裁剪制成电极片。在充满氩气的手套箱中以该电极片做正极、聚乙烯做隔膜、六氟磷酸锂/碳酸二甲酯做电解液（1mol/L）、锂片作负极组装成锂离子二次电池。
电池在电流密度为50mA/g的条件下进行恒流充放电，放电电压范围为1.5-4.5V；电池在50mA/g的循环放电容量保持曲线如图8所示，经过60周循环，放电容量稳定在约70mAh/g。

Claims (7)

1.一类芳香杂环酮类化合物锂离子二次电池正极材料，其特征在于：该材料是具有芳香杂环结构的以羰基苯、羰基苯醌为电化学氧化还原反应位点的酮类化合物，其结构通式如下所示：
式中：
X为无或如下结构：
其中，R1、R2为0至40个碳原子的烷基或烯基或炔基或卤素或为0至40个碳原子的烷基或烯基或炔基或卤素或氰基或硝基取代的苯环或萘环或噻吩或呋喃基团，R1、R2相同或不同；
A为氮或氧或硫或-SO2-；
n1、n2为1或者2-5000；n1、n2相同或不同；
Ar1为无或双键或如下结构：
Ar2为双键或如下结构：
Ar3为如下结构：
其中R为0至40个碳原子的烷基、烯基、炔基，或为卤素、氰基、硝基；当X为无且Ar3为无取代的苯环时，Ar2不能为氢。
2.一类芳香杂环酮类化合物锂离子二次电池正极材料，其特征在于，所述正极材料的结构通式如下所示：
式中：
A为氮、氧、硫、-SO2-；
n1、n2为1或者2-5000；n1、n2相同或不同；
Ar1为双键或苯环或苯醌环或异苯醌环或萘环或萘醌环结构，Ar3为0至40个碳原子的烷基或烯基或炔基或卤素或氰基或硝基取代的芳环基团；当A为氧或硫或-SO2-时，Ar2为无；当A为氮时，Ar2为氢或具有0至40个碳原子的烷基或烯基或炔基或为0至40个碳原子的烷基或烯基或炔基或卤素或氰基或硝基取代的芳环基团；其中，当Ar3为无取代的苯环时，Ar2不能为氢或甲基或8个碳原子的烷基。
3.一类芳香杂环酮类化合物锂离子二次电池正极材料，其特征在于，所述正极材料的结构通式如下所示：
式中：
X为单键或羰基或CR1R2；
其中，R1、R2为0至40个碳原子的烷基或烯基或炔基或卤素或为0至40个碳原子的烷基或烯基或炔基或卤素或氰基或硝基取代的苯环或萘环或噻吩或呋喃基团，R1、R2相同或不同；
A为氮；
n1、n2为1或者2-5000；n1、n2相同或不同；
Ar1为双键或苯环或苯醌环或异苯醌环或萘环或萘醌环结构，Ar2、Ar3为0至40个碳原子的烷基或烯基或炔基或卤素或氰基或硝基取代的苯基或者萘基，Ar2、Ar3相同或者不同。
4.一种如权利要求1所述的锂离子二次电池正极材料的应用方法，其特征在于将所述正极材料的棒状、球状、片状、针状的微米级颗粒、纳米级颗粒材料作为锂离子二次电池正极材料的应用。
5.一种如权利要求4所述的锂离子二次电池正极材料的应用方法，其特征在于方法如下：
将无定形态或晶态的所述正极材料、导电碳类材料和添加剂在足量的有机溶剂中分散混合，搅拌4-36小时使其形成均一浆料，涂布在铝箔集流体上，涂好的电极在空气中或者真空干燥箱中干燥4-36小时后得到正电极，干燥温度为273-473K；然后用压片机裁剪制成电极片；在充满氩气或氮气的手套箱中以该电极片做正极，两电极以隔膜分开，锂盐的有机溶剂溶液做电解液，以金属锂或含锂合金为负极，在氩气或氮气中组装得到锂离子二次电池。
6.根据权利要求4所述的锂离子二次电池正极材料的应用方法，其特征在于活性物质为所述芳香杂环酮类化合物的锂离子二次电池正极材料；导电碳类材料为炭黑或石墨或两者混合物；添加剂为石墨烯、多孔碳、氧化铝、氧化硅、氧化镁、氧化锌、氧化铜、氧化铬、聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯中的一种或多种按照任意比例所得到的混合添加剂；有机溶剂为二甲基亚砜、N,N-二甲基乙酰胺、N,N-二甲基甲酰胺、环丁砜、丙二醇、N-甲基吡咯烷酮、己内酰胺、三乙烯二胺或1,5-二氮杂双环[4.3.0]壬-5-烯中的一种或者多种任意比例得到的混合溶剂；活性物质、导电碳类材料和添加剂的质量份额为10-90:10-90：0-50，有机溶剂与活性物质的质量比为1-30：1；集流体是泡沫铜、泡沫不锈钢、泡沫镍、泡沫铝、泡沫铁镍合金、泡沫铁、铜网、铜片、铁网、铁片、铝网、铝片、不锈钢网或不锈钢片。
7.根据权利要求4所述的锂离子二次电池正极材料的应用方法，其特征在于所述含锂合金为锂铝合金，其中锂的重量含量为10-80％，隔膜为聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯酸酯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯、纤维素、聚碳酸酯、和玻璃纤维的一种或多种的任意混合比例的混合隔膜；电解液为由锂盐溶解于溶剂的溶液，锂盐在溶剂中的浓度为0.1-2mol/L，其中锂盐为高氯酸锂、四氟硼酸锂或六氟磷酸锂与双(三氟甲基磺酰)亚胺锂的一种或多种的任意混合比例的混合锂盐，溶剂为碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸甲乙酯、二甲基亚砜、N,N-二甲基乙酰胺、N,N-二甲基甲酰胺、环丁砜、丙二醇、N-甲基吡咯烷酮、己内酰胺、三乙烯二胺、1,5-二氮杂双环[4.3.0]壬-5-烯、1,3-二噁烷、1-甲基-3-烷基咪唑盐和1，2-二甲基-3-烷基咪唑盐中的一种或多种的任意混合比例的混合溶剂；其中烷基咪唑盐中的烷基为0至40个碳原子的烷基，阴离子为BF4 -、PF6 -、Cl-、F-、SO4 2-、NO3 -、I-、H2PO4 -、ClO4 -、Ac-、Br-、SbF6 -、CN-、CF3COO-、(CH3SO2)2N-、CH3SO3 -或CF3SO3 -。
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