CN104609517A - 超电容式脱盐装置及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种电极组件。该组件包括经配置吸附带相反电荷的离子的可充电电极，其中该电极包括多孔材料。该组件还包括与可充电电极的多孔材料接触的离子交换材料，其中该离子交换材料与可充电电极带有相同的电荷，及其中该离子交换材料可渗透带相反电荷的离子且至少部分地不可渗透带相同电荷的离子。

Description

超电容式脱盐装置及其制造方法
本申请是基于申请日为2007年10月24日，优先权日为2006年12月19日，申请号为200780045835.7(PCT/US2007/082346)，发明名称为：“超电容式脱盐装置及其制造方法”的专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及超电容式脱盐装置(supercapacitive desalination)及其制造方法。
背景技术
超电容式脱盐装置采用一对极性相反的电极。在充电步骤过程中，允许进料流(feed stream)从超电容式脱盐装置中流过。进料流中的离子性物质吸附于带有相反电荷的电极表面，从而除去进料流中的离子，生成淡化输出物(dilute output)。在放电步骤过程中，离子性物质从电极表面上解吸附并进入进料流而生成浓输出物(concentrate output)。
此外，电极的多孔材料的孔隙体积内存在与该电极所带电荷相同的离子(此后称为带相同电荷的离子(similarly charged ion))。在充电步骤过程中，施加电压后，一部分带相同电荷的离子可随即从电极中脱出并加入到进料流中。这种不期望出现的孔隙体积离子迁移消耗额外的电流并增加进料流中的杂质。在这种情况下，可能仅在电极吸附过量进料离子(超过从孔隙体积中脱出的离子)时进行进料流的净化。相反，在放电步骤过程中，除了带相反电荷的离子从多孔电极上解吸附进入进料流之外，进料流中一部分带相同电荷的离子也可能吸附到孔隙体积中。尽管吸附带相同电荷的离子在所有浓度下均会发生，但在较高浓度下变得更为严重。
可能期望获得不同于现有装置的超电容式脱盐装置。可能期望获得不同于现有方法的超电容式脱盐装置制造方法。
发明内容
根据一种实施方案，提供电极组件。该组件包括经配置吸附带相反电荷的离子的可充电电极，其中该电极包括多孔材料。该组件还包括与可充电电极的多孔材料接触的离子交换材料，其中该离子交换材料与可充电电极带有相同的电荷，并且其中该离子交换材料可渗透带相反电荷的离子且至少部分地不可渗透带相同电荷的离子。
根据一种实施方案，提供超电容式脱盐装置。该装置包括一对电荷相反的电极。电荷相反的电极中的至少一个包括可选择性渗透带电离子的离子交换材料。
根据一种实施方案，提供制造电极组件的方法。该方法包括：形成电极材料和离子交换材料的混合物、将该混合物分散在溶剂中以形成浆料、以及对该浆料进行模塑以形成电极组件。
根据一种实施方案，提供制造电极组件的方法。该方法包括形成离子交换材料和粘结剂的混合物以及将该混合物涂布在多孔电极上。
根据一种实施方案，提供制造电极组件的方法。该方法包括形成可聚合材料以及将该可聚合材料涂布在多孔电极的表面上以形成聚合物涂层。
本发明包括以下内容：
实施方式1.一种电极组件，包括：
经配置吸附带相反电荷的离子的可充电电极，其中该电极包括多孔材料；及
与所述可充电电极的多孔材料接触的离子交换材料，其中该离子交换材料与所述可充电电极带有相同的电荷，及其中该离子交换材料可渗透带相反电荷的离子且至少部分地不可渗透带相同电荷的离子。
实施方式2.实施方式1的电极组件，其中所述离子交换材料包括设置在所述可充电电极表面上的层。
实施方式3.实施方式2的电极组件，其中所述层的厚度为0.0001mm至1mm。
实施方式4.实施方式2的电极组件，其中所述层的电阻为0.1Ω·cm2至50Ω·cm2。
实施方式5.实施方式2的电极组件，其中所述层包含粘结剂和树脂。
实施方式6.实施方式5的电极组件，其中所述树脂包括AmberliteIR-120，Dowex 50，Diaion SK-IA，Amberlite IRA-400，Diaion SA-10A，或者其中两种或更多种的组合。
实施方式7.实施方式5的电极组件，其中所述粘结剂包括聚四氟乙烯，聚偏二氟乙烯，或者它们的任意衍生物。
实施方式8.实施方式1的电极组件，其中所述离子交换材料包括粘结剂。
实施方式9.实施方式8的电极组件，其中所述粘结剂至少部分地设置在所述可充电电极内。
实施方式10.实施方式1的电极组件，其中所述离子交换材料的量占电极材料总重的1重量％至70重量％。
实施方式11.实施方式1的电极组件，其中所述离子交换材料包含粒径为0.1微米至10微米的颗粒。
实施方式12.实施方式1的电极组件，其中所述组件用于超电容式脱盐装置。
实施方式13.实施方式1的电极组件，其中所述装置的电流效率为40％至99％。
实施方式14.实施方式1的电极组件，其中在所述装置工作过程中没有电压施加在所述离子交换材料上。
实施方式15.实施方式1的电极组件，其中所述可充电电极为负极并且其中所述离子交换材料为阳离子交换材料，该阳离子交换材料经配置至少部分地阻止阴离子从电极的孔隙体积中脱出，并且其中该阳离子交换材料经配置允许阳离子通过所述离子交换材料。
实施方式16.实施方式15的电极组件，其中所述阳离子交换材料包括阴离子型单体的聚合产物。
实施方式17.实施方式16的电极组件，其中所述阴离子型单体包括下述阴离子化合物：磺酸盐，磷酸盐，羧酸盐，硼酸盐，或者其中两种或更多种的组合。
实施方式18.实施方式15的电极组件，其中所述阳离子交换材料包括非离子型单体的聚合产物的磺酸盐，磷酸盐，羧酸盐，硼酸盐，或者其中两种或更多种的组合。
实施方式19.实施方式18的电极组件，其中所述非离子型单体包括下述单体：苯乙烯，丙烯酸酯，甲基丙烯酸酯，丙烯酰胺，乙烯基吡啶，乙烯基吡咯烷酮，环氧化物，硅氧烷，氨基甲酸酯，或者其中两种或更多种的组合。
实施方式20.实施方式1的电极组件，其中所述可充电电极为正极并且其中所述离子交换材料为阴离子交换材料，该阴离子交换材料经配置至少部分地阻止阳离子从电极的孔隙体积中脱出，并且其中该阴离子交换材料经配置允许阴离子通过所述离子交换材料。
实施方式21.实施方式20的电极组件，其中所述阴离子交换材料包括阳离子聚合物。
实施方式22.实施方式21的电极组件，其中所述阳离子聚合物包括：伯胺盐、仲胺盐、叔胺盐或季铵盐，咪唑，胍，吡啶，或者其中两种或更多种的组合。
实施方式23.实施方式20的电极组件，其中所述阴离子交换材料包括具有叔胺基团的材料的季铵化反应产物。
实施方式24.实施方式20的电极组件，其中所述阴离子交换材料包括聚甲基丙烯酸二甲基氨基乙酯。
实施方式25.实施方式20的电极组件，其中所述阴离子交换材料包括导电聚合物材料。
实施方式26.实施方式25的电极组件，其中所述导电聚合物材料包括聚苯胺，聚吡咯，聚噻吩，或者其中两种或更多种的组合。
实施方式27.一种超电容式脱盐装置，包括：
一对电荷相反的电极，其中所述电荷相反的电极中的至少一个包括可选择性渗透带电离子的离子交换材料。
实施方式28.实施方式27的超电容式脱盐装置，其中该超电容式脱盐装置包括布置成层叠结构的两对或更多对电荷相反的电极。
实施方式29.实施方式27的超电容式脱盐装置，还包括绝缘隔离体，该绝缘隔离体设置在所述电荷相反的电极之间，并且配置成使一个电极与另一个电极电绝缘。
实施方式30.一种制造电极组件的方法，包括：
形成电极材料和离子交换材料的混合物；
将所述混合物分散在溶剂中，以形成浆料；及
模塑该浆料，以形成电极组件。
实施方式31.实施方式30的方法，其中所述电极材料包括：碳，活性炭，石墨，多孔炭末颗粒，炭黑气凝胶，碳纳米管，碳布，碳纤维，或者其中两种或更多种的组合。
实施方式32.一种制造电极组件的方法，包括：
形成离子交换材料和粘结剂的混合物；及
将所述混合物涂布于多孔电极表面，以形成涂层。
实施方式33.实施方式32的方法，还包括使所述混合物交联。
实施方式34.一种制造电极组件的方法，包括：
形成可聚合的材料；及
将所述可聚合材料涂布于多孔电极表面，以形成聚合物涂层。
实施方式35.实施方式34的方法，其中所述可聚合的材料包括：离子或非离子型单体，离子或非离子型低聚物，部分聚合的离子或非离子型聚合物，完全聚合的离子或非离子型聚合物，或者其中两种或更多种的组合。
实施方式36.实施方式34的方法，其中所述可聚合的材料还包括引发剂或引发方式。
实施方式37.实施方式34的方法，还包括使所述混合物交联。
实施方式38.实施方式34的方法，还包括聚合反应之后的季铵化处理。
实施方式39.实施方式34的方法，还包括聚合反应之后的磺化处理。
实施方式40.实施方式34的方法，其中所述聚合物涂层部分地渗入多孔电极以形成复合电极。
实施方式41.一种系统，包括：
多个电极对，各电极对中的电极被能流过流体的空隙或通道隔开，并且交替的电极对串联电连接，且空隙或通道与另一空隙或通道流体并联连接。
实施方式42.实施方式41的系统，还包括控制器，该控制器在初始或者第一工作模式中可操作地提供相对较大的电流给所述多个电极，并且在后续或者第二工作模式中提供相对较小的电流给所述多个电极。
实施方式43.实施方式41的系统，其中所述至少一个电极对为双极电极。
参照附图阅读以下详细说明时将更好地理解这些及其它特征和方面。
附图说明
图1是根据本发明实施方案的超电容式脱盐装置的示意图。
图2-3是根据本发明实施方案的超电容式脱盐装置的截面图。
图4是根据本发明实施方案的超电容式脱盐装置的截面图。
图5-7示出根据本发明实施方案制造包括离子交换材料的电极的工艺步骤。
图8-9是样品的试验结果的图示。
具体实施方式
本发明的实施方案提供用于超电容式脱盐应用的电极组件。此外，提供该电极组件的制造和使用步骤。该电极组件包括可充电电极，该可充电电极可吸附与其所带电荷相反的离子，当该电极的电极性变换时，所述带电离子受到该电极的排斥并返回溶液。
如本文所用，术语“可充电电极”是指在施加电压时可充电的电极。如本文所用，术语“孔隙体积”是指多孔材料内的体积或开放空间。如本文所用，术语“充电步骤”是指超电容式脱盐装置工作过程中的下述步骤：该装置使用的电极组件即正极组件和负极组件经配置吸引并吸附进料流中带相反电荷的离子，进而生成淡化输出物，与输入进料流相比，该淡化输出物具有明显较小的离子性物质浓度。如本文所用，术语“放电步骤”是指超电容式脱盐装置工作过程中的下述步骤：电极组件经配置解吸附其在充电步骤中所吸附的离子性物质。如本文所用，术语“可渗透”是指材料允许离子性物质通过层或涂层到达该材料下面的电极表面的性质。如本文所用，术语“阳离子交换材料”是指带负电荷并允许阳离子通过而至少部分地阻挡阴离子通过的材料。
电极由多孔材料制成，该多孔材料可包括带相同电荷的离子性物质，即在超电容式脱盐装置的充电步骤中与该电极所带电荷相同的离子性物质。例如，对于负极而言，该负极的孔隙体积中存在带负电荷的离子性物质。带相同电荷的离子性物质可设置在形成带电电极的多孔材料的孔隙体积内。在装置的充电步骤中，允许含有离子性杂质的进料流在一对带电电极之间流动。带电电极经配置借助离子相互作用吸附进料中带相反电荷的离子。例如，如果带电电极为正极，则该带电电极经配置将阴离子吸附于表面。
电极组件还包括与带电电极的多孔材料接触的离子交换材料。该离子交换材料可渗透进料流中存在的带相反电荷的离子。在一实施方案中，离子交换材料至少部分地不可渗透带相同电荷的离子。换言之，该离子交换材料阻止带相同电荷的离子在放电步骤过程中从进料流迁移到多孔材料的孔隙体积中，以及消除带相同电荷的离子在充电步骤过程中离开电极并进入进料流的可能。在一实施方案中，仅有正极或负极之一可具有离子交换材料。在其它实施方案中，在所述两个电极上可均设置有离子交换材料。
在一实施方案中，离子交换材料可至少部分地设置在电极体内。在该实施方案中，离子交换材料可在形成电极时与电极材料混合。在一实施方案中，离子交换材料可占电极材料总重的1％至70％。在示范性实施方案中，离子交换材料的量为电极材料总重的30重量％。在一实施方案中，离子交换材料包括粒径为0.1微米至10微米的颗粒。当离子交换材料设置在电极内时，可能期望较小的粒径。
离子交换材料可存在于电极的整个周围区域之中。在其它实施方案中，离子交换材料可仅存在于电极的一部分周围区域之中。在一实施方案中，离子交换材料可以一层或多层的形式存在。一层或多层离子交换材料可直接沉积在电极之上。可供选择地，一层或多层离子交换材料可单独形成并顺次与电极连接。另外，所述一层或多层可含有相同或不同的离子交换材料。
在一实施方案中，电极可具有至少部分地设置在该电极内的第一离子交换材料和至少设置在该电极表面的一部分之上的第二离子交换材料层。第一和第二离子交换材料可相同或不同。在其它实施方案中，一个电极可具有设置在该电极体内的离子交换材料，另一个电极可具有设置在该电极表面上的离子交换材料。
图1是充电步骤中超电容式脱盐装置10的示意图。该装置10分别包括负极组件12和正极组件14。电极组件12和14各自包括带电电极和离子交换材料。含有作为杂质之一的离子性物质的进料流16从电极组件12和14中流过。在装置10的充电步骤中，组件12和14吸附离子性物质的至少一部分以生成淡化输出物34，与进料流16相比，该淡化输出物34具有较低的离子性物质浓度。如图所示，电极组件12包括由多孔材料20形成的负极18。电极组件12包括与负极18的多孔材料20接触的阳离子交换材料22。
用于负极18的适宜材料可包括碳、活性炭、石墨、多孔炭末颗粒、炭黑气凝胶、碳纳米管、碳布、碳纤维或者其中两种或更多种的组合。阳离子30的实例可包括钠离子、钙离子、镁离子、钾离子和质子。在充电步骤中，带相同电荷的离子，即负极18中存在的阴离子23由于阴离子23和负极18均带有负电荷而经受斥力。阳离子交换材料22也可部分地存在于负极18的表面上。通过施用阳离子交换材料22，可阻止负极18中初始存在的阴离子23的至少一部分从负极18中脱出。离子交换材料中存在的自由阳离子经配置与阴离子23结合，从而阻止阴离子23离开负极18。阳离子交换材料22还吸附进料流16中的阳离子30。
类似地，正极组件14包括含有多孔材料26的正极24。组件14还包括设置在正极24体内的阴离子交换材料28。如本文所用，术语“阴离子交换材料”是指带正电荷并允许阴离子32通过而至少部分地阻止带相同电荷的离子即阳离子25通过的材料。用于正极24的适宜材料可包括碳、活性炭、石墨、多孔炭末颗粒、炭黑气凝胶、碳纳米管、碳布、碳纤维或其中两种或更多种的组合。阴离子32的实例可包括但不限于氯离子、硫酸根、碳酸根、碳酸氢根和氢氧根。阴离子交换材料28可部分地存在于正极24的表面上。阴离子交换材料28阻止阳离子25因离子间斥力而从正极24中脱出。
尽管本文所预期的实施方案具体呈现为离子交换材料22和28至少部分地设置在电极18和24的体内，但离子交换材料还可以层的形式存在于带电电极例如负极18或正极24或者两者(图2)的表面上。在该实施方案中，离子交换材料可存在于电极18和/或24的体内或者没有存在于电极18和/或24的体内。当采用外涂层或层形式的离子交换材料时，至少带相反电荷的电极吸附进料流中存在的阳离子和阴离子的一部分。进而，离子在被离子交换材料吸附之后透过离子交换材料并到达相应电极的表面。因而，离子交换材料的表面可供即将进入的进料流中的离子使用。
工作时，电极中与该电极所带电荷相同的离子性物质可能由于离子间斥力而被推出。从电极中推出的离子与进料流混合并提高淡化输出物中的离子浓度。离子交换材料中存在的自由离子与电极中受斥力作用的带相同电荷的离子结合，从而阻止这些带相同电荷的离子从电极中脱出。
现转向图2，示出了超电容式脱盐装置36的实施方案。超电容式脱盐装置36包括电极组件38，该电极组件38经配置在装置36的充电步骤中充当负极组件。电极组件38包括具有表面42的电极40。电极40在装置36的充电步骤中带负电荷。组件38还包括阳离子交换层44形式的阳离子交换材料。如图所示，该阳离子交换层可设置在电极40的表面上，例如电极40的表面42上。在一实施方案中，阳离子交换层可以是单层。在另一实施方案中，阳离子交换层可以是相同或不同离子交换材料的两个或更多层的组合。在所示实施方案中，装置36还包括正极组件46。正极组件46包括正极48，该正极48包括具有表面50的阴离子交换层52。阴离子交换层52吸附阴离子56并至少部分地阻止阳离子60离开正极48。
现参考图3，示出了具有电极组件64和66的超电容式脱盐装置62的截面图。负极组件64包括负极68，该负极68具有设置于其表面72上的阳离子交换材料70。阳离子交换材料70可以层或膜的形式形成。类似地，正极组件66包括正极74和设置在正极74的表面78上的阴离子交换材料76。与图2所示的实施方案不同，电极68和74在所有侧面上均具有离子交换材料70和76，在图2所示的实施方案中离子交换材料44和52仅设置在电极40和48的暴露于进料流的侧面上。
在一实施方案中，电极如电极40、48、68和74可以层叠结构用于超电容式脱盐装置。在层叠结构中，可将多对电极设置成层叠体形式。此外，可将隔离体设置在各对电极之间。为了借助去离子作用净化液体，可将数个这样的单元配置成具有进水口和出水口构造的层叠体形式。在一实施方案中，可使供液多次通过层叠体，即可利用多次重复除去液体中的离子，以达到容许或期望的带电物质含量。在一实施方案中，可将多对电极布置成层叠体，使得一对电极的输出可视为其它单元的供液。从而，可允许液体从出口离开之前数次通过电极对。
图4示出了超电容式脱盐装置80的实施方案。装置80包括具有负极组件82和正极组件84的一对电极组件。负极组件82包括具有膜88状阳离子交换材料的负极86，正极组件84包括具有膜92状阴离子交换材料的正极90。使用隔离体94使膜88和92彼此物理隔离。在一实施方案中，阴离子交换材料92和阳离子交换材料88的阳离子聚合物和阴离子聚合物可独立地涂布在两个隔板上。随后，可采用一定的温度使聚合物固化。接着，可邻近隔离体94设置涂布在隔板上的离子聚合物以形成流动通道。具有隔板-隔离体-隔板(separator-spacer-separator)布置的模块可设置在两个电极之间以形成一对电极组件。具有离子交换材料的独立模块的构造可简化组装过程。此外，这种模块化设计还可便于冲洗和更换电极上的离子交换材料。模块化设计可有益于提高部件的灵活性，即电极和隔离体可单独制造，隔离体比电极轻且易于处理，鉴于隔离体的灵活性而可采用各种涂布方法如浸涂法、刮涂法、喷涂法、层叠法。
根据该实施方案制造的示范性系统得到的试验结果表明，使用离子交换材料使超电容式脱盐装置的电流效率和能量效率得以改善。在一实施方案中，以层的形式设置在电极上的离子交换材料的电阻为0.1Ω·cm2至50Ω·cm2。在一实施方案中，在装置工作期间没有电压施加在离子交换材料上。此外，可通过选择离子交换材料的聚合物获得改善。例如，与仅使用阴离子型或阳离子型离子交换材料两者之一相比，阳离子型和阴离子型离子交换材料两者的组合可产生不同的结果。对于电极中的离子交换材料，还可通过选择最佳厚度或百分比实现电流和/或能量效率的改善。
在一实施方案中，超电容式脱盐装置的电流效率为40％至99％。电流效率可能与电极组件中存在的离子交换材料的量相关。根据该实施方案制造的示范性系统得到的试验结果表明，电极组件中的阳离子交换材料用量增加致使电流效率提高。在这些试验中，阳离子交换材料以涂层的形式施用于负极。例如，对于0至5mg/cm2的阳离子交换材料加料量电流效率为40％，对于12.5mg/cm2的阳离子交换材料加料量电流效率为55％，对于37.5mg/cm2的阳离子交换材料加料量电流效率为70％，对于75mg/cm2的阳离子交换材料加料量电流效率为75％。
类似地，对于正极，在未使用阴离子交换材料时电流效率为40％，在使用12.5mg/cm2的阴离子交换材料时电流效率增加到50％，在使用37.5mg/cm2的阴离子交换材料时电流效率为60％。在负极和正极两者均使用离子交换材料时，电流效率可高于仅有一个电极使用离子交换材料的情况。在一个实例中，在正极上使用37.5mg/cm2的阴离子交换材料并在负极上使用等量的阳离子交换材料使得电流效率大于80％。
在一实施方案中，可使用一种或多种导电聚合物作为离子交换材料。这种导电聚合物的非限制性实例可包括聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩或者其中两种或更多种的组合。衍生物包括磺酸基、氯、氟、烷基、烷氧基和苯基取代基。导电材料可以涂层的形式施用于正极。
在其它实施方案中，可使用一种或多种离子导电聚合物作为离子交换材料。离子导电聚合物的非限制性实例可包括均聚物、无规共聚物、接枝共聚物和/或嵌段共聚物。共聚物可以是一种或多种离子或非离子型单体的产物。在一实施方案中，离子型单体可包括一种或多种作为阳离子交换材料的阴离子型单体。在另一实施方案中，离子型单体可包括一种或多种作为阴离子交换材料的阳离子型单体。离子交换材料可以是一种或多种离子型单体的聚合产物。阴离子型单体的实例包括化合物，例如磺酸盐、磷酸盐、羧酸盐、硼酸盐或者其中两种或更多种的组合。阳离子型单体的实例包括伯胺盐、仲胺盐、叔胺盐或季铵盐，咪唑，胍，吡啶，或者其中两种或更多种的组合。非离子型单体的非限制性实例可包括苯乙烯、丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、丙烯酰胺、乙烯基吡啶、乙烯基吡咯烷酮、环氧化物、醛、酮、羟烷基化合物、硅氧烷、氨基甲酸酯以及其中两种或更多种的组合。
离子导电聚合物可以是交联材料。在示范性实施方案中，使用交联聚苯乙烯磺酸作为阳离子交换材料。可在存在引发剂的条件下使苯乙烯磺酸盐与N,N'-亚甲双丙烯酰胺反应，形成交联聚苯乙烯磺酸。引发剂的非限制性实例可包括偶氮二异丁腈和过氧苯甲酰。该反应可在30℃至60℃的温度下进行。接着，可将聚合物酸薄涂层施用于电极。还可在30℃至60℃的温度下加热该涂层。在另一示范性实施方案中，使用交联聚甲基丙烯酸二甲基氨基乙酯作为阴离子交换材料。可在存在引发剂的条件下使甲基丙烯酸二甲氨基乙酯与N,N'-亚甲双丙烯酰胺反应，形成交联聚甲基丙烯酸二甲基氨基乙酯。该反应可在30℃至60℃的温度下进行。接着，可将聚合物薄涂层施用于电极。涂层厚度可以为0.0001mm至1mm。可基于所需的离子交换材料电导率选择涂层厚度。此外，期望获得在酸性介质和碱性介质中均耐腐蚀且稳定的离子交换材料。
在一实施方案中，使胺与环氧化物反应并随后使反应产物与卤离子季铵化制成用作阴离子交换材料的阳离子聚合物。在一实施方案中，混合4ml 5％的三亚乙四胺(TETA)和4ml 20％的环氧化物水溶液，形成混合物。将该混合物置于干电极上。例如通过置于100℃的炉内对该电极进行加热。将混合物置于电极并加热电极的步骤可重复数次以控制加载于电极上的阳离子交换材料的量。在一实施方案中，于100℃加热电极12小时之后，对电极进行后处理以季铵化胺基。在示范性实施方案中，季铵化步骤可包括将含有5ml 5％的1,4-二溴-2,3-丁二酮的乙酸乙酯溶液施用于电极。在另一实施方案中，可对电极进行磺化以将磺酸基引入离子交换材料。随后，允许反应进行30分钟。接着，可使用去离子水冲洗电极。
参考图5，示出了制造离子交换材料聚合物涂层的方法。在所示实施方案中，通过使单体在电极上原位聚合，形成聚合物涂层。在方框96中，形成或提供可聚合材料。可聚合材料可包括离子或非离子型单体、离子或非离子型低聚物、离子或非离子部分聚合聚合物、离子或非离子完全聚物聚合物或者其中两种或更多种的组合。任选地，在提供单体、低聚物或部分聚合聚合物形式的可聚合材料时，还可提供交联剂和/或引发剂(方框97)。在示范性实施方案中，提供引发剂还可包括提供引发方式如热量或紫外(UV)光。适宜的交联剂的非限制性实例可包括二乙烯基苯和N,N'-亚甲双丙烯酰胺。适宜的引发剂的非限制性实例可包括偶氮二异丁腈和过氧苯甲酰。
此外，在方框98中，将可聚合材料与任选的交联剂和/或交联剂的混合物溶于溶剂以形成浆料。可超声溶解该混合物数分钟。溶剂的非限制性实例可包括去离子水、乙醇或者其中两种或更多种的组合。在一实施方案中，可使用水和乙醇的混合物作为溶剂。混合物中溶剂的重量比可为10％至90％。另外，可通过使惰性气体如氩气起泡除去浆料中存在的气体如氧气。在方框100中，加热浆料以促进溶液中的可聚合材料、交联剂和引发剂溶解。可将装有浆料的容器置于用于均匀加热的油浴中，对该容器进行加热。在一实施方案中，历经1至30分钟将浆料加热至70℃至80℃。进行预聚合以将浆料的粘度提高到0.1Pa·s。
在预聚合之后，将浆料转移到另一容器中。在方框102中，将预聚合浆料涂布在电极上以形成离子交换材料层。可通过任意已知的常规涂布方法如流延法、浸涂法或丝网印刷法进行涂布。在方框104中，固化浆料以在电极上形成离子交换材料涂层。在固化涂层期间或之后，一部分涂层可渗入电极的多孔材料并形成复合电极，其中离子交换材料涂层存在于电极表面且一部分离子交换材料存在于电极内。在一实施方案中，可通过将电极在30℃至40℃的炉中放置1至6小时来进行固化。接着，可将炉温升高50℃至70℃。
图6示出了使用离子交换树脂粉末制造电极上的离子交换材料涂层的方法。该方法包括提供树脂粉末(方框106)。树脂粉末可商购。商购树脂的粒径可以为3-12mm。商购阳离子交换树脂的实例可包括AMBERLITEIR-120、DOWEX 50和DIAION SK-IA。商购阴离子交换树脂的实例可包括AMBERLITE IRA-400和DIAION SA-10A。在方框108中，可对树脂进行处理以使粒径降至低于50微米。在一实施方案中，可对树脂进行2小时的球磨以达到预定的粒径。在方框110中，形成树脂和去离子水的悬浮液。可供选择地，可使用适当的溶剂形成悬浮液。
树脂与去离子水的重量比为1:1至1:5。在方框112中，将粘结剂或基体材料添加到悬浮液中以形成混合物。粘结剂的实例可包括聚四氟乙烯(PTFE)或聚偏二氟乙烯(PVDF)。粘结剂可以水乳液的形式添加。此外，粘结剂与树脂的重量比为1:0.05至1:0.2。此外，搅拌该混合物5至10分钟以使其均匀。在方框114中，将均匀混合物涂布于电极。可采用诸如旋涂法、浸涂法、刮涂法、喷涂法、层叠法或丝网印刷法等方法进行涂布。在方框116中，固化涂层以使其干燥。
在另一实施方案中，如图7所示，将电极材料与离子交换材料混合以形成电极。该方法包括提供树脂粉末(方框118)。如以上结合图6所述，树脂粉末可商购。在方框120中，可对树脂粉末进行处理以减小粒径。在方框122中，将粘结剂和碳源添加到树脂粉末中以形成混合物。粘结剂可包括以上结合图6所列出的任意粘合剂。接着，在方框124中，将乙醇添加到混合物中形成浆料。混合物和乙醇的重量比为1:1至1:5。此外，搅拌浆料5至10分钟以使其均匀。在方框126中，将均匀浆料涂布于集电体以形成电极。可采用诸如旋涂法、浸涂法、刮涂法、喷涂法、层叠法或丝网印刷法等方法进行涂布。在可供选择的实施方案中，可将浆料模塑成电极状。在方框128中，固化电极以使其干燥。
参考图8-9，制造并评价具有14个电极的7单元层叠体。有效电极尺寸为10cm×25cm。导电连接电极对为2-3、4-5、6-7、8-9、10-11和12-13。充电时在第一个电极和第十四个电极之间施加恒压(7V)直流电。每个电极的总电极表面积为250cm2。离子的流通进料浓度为1000至5000ppm。采用2秒的脉宽和10秒的脉冲间隔。层叠电容随充电电流(充电速度)的增大而减小。可观察到从100mA至500mA电容下降38％。电极的电阻可能与电流和进料浓度无关。离子进入电极活性材料的孔隙受到的阻力可能引发这种现象。充电速度越小可用于吸附离子的孔隙体积越大。较小的充电电流可提高层叠体/单元电容。因而有利的电流分布可能是开始时为大电流而周期结束时为较小的电流。任选地，控制器(未示出)可在初始或第一工作模式过程中为多个电极提供相对较大的电流并在后续或第二工作模式过程中为多个电极提供相对较小的电流。
在一实施方案中，将电极活性材料涂布在集电栅网(current collectormesh)同一表面的两个部分上以形成单面电极。该单面电极可在位于两个涂布部分之间的无活性材料区处折叠并折于防离子层之上，从而使防离子层与单面电极的所述两个部分形成夹层结构。防离子层例如可以是聚酯等，可商购自例如3M,Inc.等供应商。因而，双极电极可具有两个不同的面向外的活性表面，防离子层(可能为防水层)插于所述两个活性表面之间。隔离体或流体通道导引体插于双极电极和另一电极之间，以使各电极可与通过装置的液流连通。在一实施方案中，交替的电极对串联电连接，由电极对的电极间间隔、空隙或通道限定的液流路径并联连接。
尽管结合一些实施方案对本发明进行了详述，但本发明不限于所披露的实施方案。在不脱离本发明范围的情况下，可对本发明进行改进以引入任意数量本文未描述的变型、变化、替换物、衍生物或等同布置。另外，尽管描述了本发明的一些实施方案，但应当理解的是，本发明的方面可仅包括所述实施方案中的一部分。因而，本发明不应解释为受限于前述说明，而仅受限于所附权利要求的范围。

Claims (25)

1.一种电极组件，包括：
经配置吸附带相反电荷的离子的可充电电极，其中该电极包括多孔材料；及
与所述可充电电极的多孔材料接触的离子交换材料，其中该离子交换材料与所述可充电电极带有相同的电荷，及其中该离子交换材料可渗透带相反电荷的离子且至少部分地不可渗透带相同电荷的离子；
其中所述可充电电极为负极且该多孔材料包括阴离子，并且其中所述离子交换材料为阳离子交换材料，该阳离子交换材料经配置至少部分地阻止所述阴离子从电极的孔隙体积中脱出，并且其中该阳离子交换材料经配置允许阳离子通过所述离子交换材料。
2.权利要求1的电极组件，其中所述离子交换材料包括设置在所述可充电电极表面上的层。
3.权利要求2的电极组件，其中所述层的厚度为约0.0001mm至约1mm。
4.权利要求2的电极组件，其中所述层的电阻为约0.1Ω·cm2至约50Ω·cm2。
5.权利要求2的电极组件，其中所述层包含粘结剂和树脂。
6.权利要求5的电极组件，其中所述树脂包括Amberlite IR-120，Dowex50，Diaion SK-IA，Amberlite IRA-400，Diaion SA-10A，或者它们的组合。
7.权利要求5的电极组件，其中所述粘结剂包括聚四氟乙烯，聚偏二氟乙烯，或者它们的任意衍生物。
8.权利要求1的电极组件，其中所述离子交换材料包括粘结剂。
9.权利要求8的电极组件，其中所述粘结剂至少部分地设置在所述可充电电极内。
10.权利要求1的电极组件，其中所述离子交换材料的量占电极材料总重的约1重量％至约70重量％。
11.权利要求1的电极组件，其中所述离子交换材料包含粒径为约0.1微米至约10微米的颗粒。
12.权利要求1的电极组件，其中所述组件用于超电容式脱盐装置。
13.权利要求1的电极组件，其中所述装置的电流效率为约40％至约99％。
14.权利要求1的电极组件，其中在所述装置工作过程中没有电压施加在所述离子交换材料上。
15.权利要求1的电极组件，其中所述阳离子交换材料包括阴离子型单体的聚合产物。
16.权利要求15的电极组件，其中所述阴离子型单体包括下述阴离子化合物：磺酸盐，膦酸盐，羧酸盐，硼酸盐，或者它们的组合。
17.权利要求1的电极组件，其中所述阳离子交换材料包括非离子型单体的聚合产物的磺酸盐，膦酸盐，羧酸盐，硼酸盐，或者它们的组合。
18.权利要求17的电极组件，其中所述非离子型单体包括下述单体：苯乙烯，丙烯酸酯，甲基丙烯酸酯，丙烯酰胺，乙烯基吡啶，乙烯基吡咯烷酮，环氧化物，硅氧烷，氨基甲酸酯，或者它们的组合。
19.一种电极组件，包括
经配置吸附带相反电荷的离子的可充电电极，其中该电极包括多孔材料；及
与所述可充电电极的多孔材料接触的离子交换材料，其中该离子交换材料与所述可充电电极带有相同的电荷，及其中该离子交换材料可渗透带相反电荷的离子且至少部分地不可渗透带相同电荷的离子；
其中所述可充电电极为正极且该多孔材料包括阳离子，并且其中所述离子交换材料为阴离子交换材料，该阴离子交换材料经配置至少部分地阻止所述阳离子从电极的孔隙体积中脱出，并且其中该阴离子交换材料经配置允许阴离子通过所述离子交换材料。
20.权利要求19的电极组件，其中所述阴离子交换材料包括阳离子聚合物。
21.权利要求20的电极组件，其中所述阳离子聚合物包括：伯胺盐、仲胺盐、叔胺盐或季铵盐，咪唑胍吡啶或者它们的组合。
22.权利要求19的电极组件，其中所述阴离子交换材料包括具有叔胺基团的材料的季铵化反应产物。
23.权利要求19的电极组件，其中所述阴离子交换材料包括聚甲基丙烯酸二甲基氨基乙酯。
24.权利要求19的电极组件，其中所述阴离子交换材料包括导电聚合物材料。
25.权利要求24的电极组件，其中所述导电聚合物材料包括聚苯胺，聚吡咯，聚噻吩，或者它们的组合。
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