CN111072110A - 用于水脱盐清洁装置的阴离子插入电极材料 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于水脱盐清洁装置的阴离子插入电极材料。具体地，脱盐电池组包括第一电极，第二电极，包含在第一电极中的嵌入化合物，被配置为容纳盐水溶液的容器以及电源。嵌入化合物包括各自为三元或更多元的金属氧化物，准金属氧化物，金属氯氧化物，准金属氯氧化物及它们的水合物中的至少一种。第一电极和第二电极被配置为经设置以与盐水溶液流体连通。电源被配置为向在不同操作状态下的第一和第二电极供应电流，以引起嵌入化合物内可逆的嵌入反应。嵌入化合物可逆地存储和释放来自盐水溶液的目标阴离子，以在一种操作状态下产生淡水溶液，而在另一种操作状态下产生废水溶液。

Description

用于水脱盐清洁装置的阴离子插入电极材料
本申请要求于2018年10月22日提交的美国临时申请号62/749,095的权益，其公开内容通过引用以其整体并入本文。
技术领域
本公开涉及水的电化学处理，并且更具体地涉及用于被配置为使水脱盐的装置的电极的阴离子插入（脱出）（(de-)insertion）主体材料。
背景技术
对适合饮用淡水的需求是巨大的，并且为地球上日益增长的人口保障可饮用的淡水水源是21世纪最重要的挑战之一。增加的淡水量不仅为人类消费所需，而且还为工业和农业活动所需要。脱盐是用于从其他非淡水源中获取淡水的一种新兴技术，并涉及从海水中去除盐分和其他杂质。脱盐过程可以以不同的方式实现，例如通过热（例如，加热和干燥过程，热蒸馏），施加电能（即，基于电荷的离子分离）以及通过机械能/压力（例如，反渗透（RO），基于膜的过滤）。
反渗透（RO）和热蒸馏是全面、非选择性地从水中去除离子（即去离子化）的有效技术。由于这些技术从盐中除去水，因此当初始离子负荷很高时（例如在海水脱盐的情况下），它们是最有利的。然而，由于需要大量的能量输入，RO和热蒸馏技术的成本普遍高。基于电荷的离子分离技术（例如电渗析或电吸收）使用离子交换膜和/或高表面积碳结合施加的电势从进水中去除离子，从而将离子从水中吸引到电极并限制解吸。这些基于电荷的分离技术通常对于半咸水源或需要从水流中部分去除离子的应用更具吸引力。
脱盐（desalination）电池组（battery）是一种已经用于使水脱盐的较新技术。脱盐电池组通常包括两个电极主体，该两个电极主体被配置为在向装置施加电压时去除目标阳离子和阴离子。可以操作脱盐电池组以将海水分离为淡水流和盐水流。为了收集阳离子，例如阳离子Na+、Mg2+、Ca2+、K+、Pb2+等，脱盐电池组阴极部分的嵌入或转化反应通常以二元、三元或更多元的氧化物和/或氰化物，例如MnO2、Na0.44MnO2、KFeCu(CN)6·xH2O、基于钠镍和/或钠铁的六氰合铁酸盐（HCF）作为工作系统而发生。另一方面，去除阴离子，如阴离子Cl-，SO4 2-等，通常发生在Ag/AgCl电极系统中。尽管银具有一些优点，但是银的高价格和AgCl的差的电子传导率（其是脱盐电池组的主要动力学限制）限制了Ag/AgCl电极在实际装置中的效用。
因此，需要一种工作电极系统，其在从水中去除阴离子的化学过程，成本，效率和长期耐用性方面可扩增用于工业用途。
发明内容
在一个实施方案中，用于脱盐电池组的嵌入电极包括嵌入化合物（intercalationcompound），该嵌入化合物包括各自为三元或更多元的金属氧化物，准金属氧化物，金属氯氧化物，准金属氯氧化物及它们的水合物中的至少一种。嵌入化合物被配置为至少部分地浸入盐水溶液中并经历可逆的嵌入反应。在嵌入电极的第一状况（condition），来自盐水溶液的阴离子可逆地插入到嵌入化合物内的位置（site）。在嵌入电极的第二状况，嵌入化合物内的阴离子从嵌入化合物中脱出（de-insert）到盐水溶液中。
在一个实施方案中，脱盐电池组包括第一电极，第二电极，包含在第一电极中的嵌入化合物，被配置为容纳具有第一浓度c 1 的溶解盐的盐水溶液的容器以及电源。嵌入化合物包括各自为三元或更多元的金属氧化物，准金属氧化物，金属氯氧化物，准金属氯氧化物及它们的水合物中的至少一种。第一和第二电极被配置为经设置以与盐水溶液流体连通。电源被配置为向第一和第二电极供应电流，使得嵌入化合物可逆地存储和释放来自盐水溶液的位于第一嵌入化合物内的位置中的目标阴离子。当嵌入化合物存储目标阴离子时，脱盐电池组在容器内产生具有第二浓度c 2 的溶解盐的淡水溶液。当嵌入化合物释放目标阴离子时，脱盐电池组在容器内产生具有第三浓度c 3 的溶解盐的废水溶液。第三浓度c 3 大于第一浓度c 1 ，第一浓度c 1 又大于第二浓度c 2 。
附图说明
图1-4给出了在不同操作状态的脱盐电池组的简化示意图，该脱盐电池组包括至少一个电极，该电极具有被配置为可逆地存储和释放来自供水的目标阴离子的电极材料；
图5示出了用于图1的脱盐电池组中的由单斜晶p2 1 /c MgCl2O形成的阴离子嵌入主体电极的晶体结构；
图6示出了用于图1的脱盐电池组的由四方p4 2 /nmc Mg(ClO2)2·6H2O形成的阴离子嵌入主体电极的晶体结构；
图7示出了用于图1的脱盐电池组的由三斜晶P-1 NaClO2·3H2O形成的阴离子嵌入主体电极的晶体结构；
图8是示出了对于不符合预定筛选标准的化合物的金属（M）（M ＝ Mg或Na），氧（O），氢（H）和氯（Cl）的由密度泛函理论（DFT）计算的空位形成能（ΔE vac.,i ）的图；
图9是示出了对于符合预定筛选标准的化合物的M（M ＝ Mg或Na），O，H和Cl的由DFT计算的空位形成能（ΔE vac.,i ）的图；和
图10是示出了对于符合预定筛选标准的化合物基于第一性原理(first-principles)DFT计算（相对于标准氢电极（SHE））的Cl-离子插入（脱出）电压的图。
具体实施方式
为了帮助对本公开的原理的理解，现在将参考在附图中示出并且在以下书面说明中描述的实施方案。应当理解，并不意图由此限制本公开的范围。还应理解，本公开包括对所示的实施方案的任何变更和修改，并且包括本公开所属领域的技术人员通常会想到的本公开原理的进一步应用。
图1-4示出了用于从供水中去除离子的装置100。所示实施方案中的装置被配置为脱盐电池组100。装置100具有第一电极104，该第一电极104包含第一嵌入主体材料108，该第一嵌入主体材料108通过第一可逆嵌入反应在装置的不同操作状态下可逆地去除和释放第一目标离子112。在所示的实施方案中，第一目标离子112包括单一阴离子种类，如F-、Cl-、Br-、I-和S2-；阴离子复合物（complex），如ClO4 -、ClO3 -、ClO2 -、BrO4 -、BrO3 -、SO4 2-、SiO3 2-和CN-；和含金属阴离子，如MX y O z n-（其中M = Na、Mg、Al、Si、K、Ca、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、Mo、Sn、Cs和Pb；X = F、Cl、Br、I、N和P；且0 < y
Figure 674936DEST_PATH_IMAGE001
5；0
Figure 104781DEST_PATH_IMAGE001
z
Figure 346406DEST_PATH_IMAGE001
5；1
Figure 621530DEST_PATH_IMAGE001
n
Figure 701219DEST_PATH_IMAGE001
4），所有这些都可能存在于海水和工业用水中。
图1-4中所示的装置100还包括第二电极106，该第二电极106通过外部电路114电连接到第一电极104。在一些实施方案中，第二电极106包含第二嵌入主体材料110，该第二嵌入主体材料110通过第二可逆嵌入反应在装置的不同操作状态下可逆地去除和释放第二目标离子116。第二目标离子116可包括阳离子Na+、Mg2+、Ca2+、K+、Pb2+等。供水还可包括不与第一电极104或第二电极106反应的其他离子118。
装置100还包括电源、电流源或电压源122，该电源、电流源或电压源122被配置为向第一和第二电极104、106供应电流。施加电流以从供水中去除目标离子。电流可以是恒定电流，直到达到预定的截止电压为止，或者可以将正电压施加到装置100。
在一些实施方案中，装置100包括容器102，该容器102被配置为留存液体溶液，例如水溶液120。容器102可以是能够获得、留存、盛放和/或释放诸如盐水、半咸水、海水、海洋水、淡水、甜水、饮用水、脱盐水、污染水、工业用水等的液体溶液的任何形状、尺寸或配置的容器、隔室、壳体、瓶、罐、箱、缸等。容器要足够宽敞，以容纳足够量的经历水脱盐的水溶液；因此，尺寸根据具体应用而有所不同。容器可以足够大以服务于工业应用。容器可以由能够抵抗腐蚀、温度波动、pH变化、压力变化并且耐受其他化学、机械和/或物理状况的不同材料制成。
容器可以由玻璃、塑料、复合材料、金属、陶瓷或材料组合制成。容器可以具有一层或多层保护涂层。容器可以由使水污染的发生最小化的材料制成。容器可以由无毒且符合饮用水标准的一种或多种材料制成。
第一和第二电极104、106被设置在装置100内以与存在于容器102中的水溶液120流体连通。第一和第二电极104、106至少部分浸入水溶液120中。在一些实施方案中，第一和第二电极104、106可以完全浸入在水溶液120中。第一和第二电极104、106可以放置在容器102的相对侧上，如图所示，放置在容器102的中央，或者位于容器102的同一侧上。第一和第二电极104、106可以彼此相邻定位或相隔一定距离。取决于容器102以及第一和第二电极104、106的尺寸，该距离可以是1mm或更大，1cm或更大，10cm或更大，20cm或更大，30cm或更大。第一和第二电极之间的其他距离也是可想到的。
具有第一和第二嵌入材料108、110的第一和第二电极104、106用作嵌入主体（host）。嵌入是指将一种或多种离子可逆地包含在具有分层结构的材料中。层之间的空间可供一种或多种类型离子的临时存储。在至少第一电极104中的第一嵌入主体材料108可逆地存储和释放来自具有第一浓度c 1 的溶解盐的盐水溶液的阴离子，以在容器内产生具有第二浓度c 2 的溶解盐的淡水溶液和具有第三浓度c 3 的溶解盐的废水溶液，以使得c 3 > c 1 > c 2 。
开发了具有确定含氧和含氯化合物的热力学和电化学稳定性的反应模型的综合计算设计方法，以鉴定本文公开的阴离子嵌入主体材料108。图8和图9分别是鉴定对于所选择化合物的M（M ＝ Mg或Na）、O、H和Cl的由密度泛函理论（DFT）计算的空位形成能（Δ E vac.,i ）的图。对于可逆的阴离子插入（脱出）（例如，Cl-），计算的ΔE vac.,Cl 应为合理小的，而M、O、H的ΔE vac. 为了在充电/放电过程中保持完整的晶体结构应为合理高的。
图8中列出的化合物不满足这些筛选标准，因为：（1）ΔE vac.,Cl （方形标记）相对较高（
Figure 36385DEST_PATH_IMAGE002
3 eV/Cl）和（2）O和H的ΔE vac （分别为三角形标记和菱形标记）相比于ΔE vac.,Cl 相对较低。相比之下，图9中列出的化合物示出了相对较低的ΔE vac.,Cl （
Figure 765307DEST_PATH_IMAGE001
2 eV/Cl），表明它们被配置用于可逆的阴离子插入（脱出）。化合物NaClO2·3H2O和Mg(ClO2)2·6H2O 显示出高的O和H的ΔE vac. （即，高的结构稳定性），而化合物MgCl2O具有相对较低的ΔE vac.,O 。如果ΔE vac.,O 在任何类型的化合物结构中都低，则氧很可能与Cl以ClOx n- 的形式插入（脱出）（其中x可以在1到4之间变化，并且n受x限制，例如1至4）。
图10是鉴定对于所选择化合物基于第一性原理DFT计算（相对于标准氢电极（SHE））的Cl-离子插入（脱出）电压的图。插入（脱出）电压必须在水的稳定性窗口内（即，-0.401至+1.23 V，相对于SHE），以避免水电解。所选择的化合物（其包括金属氯氧化物（和水合物））符合目标电压标准，因此它们可以用作对于阴离子插入（脱出）的电极组分。特别地，在图10的图中沿着三个垂直线中最左边的垂直线的连接号（dash）示出了化合物NaClO2·3H2O的Cl-离子插入（脱出）电压。在图10的图中沿着三个垂直线中的中间垂直线的连接号示出了化合物Mg(ClO2)2·6H2O的Cl-离子插入（脱出）电压。在图10的图中沿着三个垂直线中最后边的垂直线的连接号示出了化合物MgCl2O的Cl-离子插入（脱出）电压。
鉴于上述的计算材料筛选标准，在一些实施方案中，本文公开的阴离子嵌入主体材料108包括但不限于以下的至少一种：Mg(ClO2)2·6H2O、MgCl2O和NaClO2·3H2O。图5示出了单斜晶p2 1 /c MgCl2O的晶体结构。图6示出了四方p4 2 /nmc Mg(ClO2)2·6H2O的晶体结构。图7示出了三斜晶P-1 NaClO2·3H2O的晶体结构。图5-7所示的晶体结构包括钠（Na）、镁（Mg）、氧（O）、氯（Cl）和氢（H）。这些元素在图中通过使用表示相应图例的元素的在圆圈中的不同填充图案而彼此区分。在其他实施方案中，本文公开的阴离子嵌入主体材料108包括但不限于以下三元和四元的金属氧化物和金属氯氧化物中的至少一种：AlH12(ClO2)3、MnH8(ClO2)2、FeH8(ClO2)2和NiH8(ClO2)2。
具有本文公开的阴离子嵌入主体材料108的第一电极104具有单一阴离子种类（即，Cl-），阴离子复合物和含金属阴离子的插入（脱出）电压，其低于金属溶解电势，低于氧气析出电势和在相对于SHE为-0.5至1.5 V的插入（脱出）电压范围（略大于水稳定性窗口）内，从而避免了水电解。在一些实施方案中，具有本文公开的阴离子嵌入主体材料108的第一电极104的热力学Cl空位形成能高于每Cl位置0.8 eV且低于每Cl位置2.8eV。在这些实施方案中，阴离子嵌入主体材料108具有高于Cl空位形成能的金属、氧和氢的热力学空位形成能。在一些实施方案中，Cl-和相关的阴离子复合物的插入（脱出）电压超过所述插入（脱出）电压范围，以克服动力学上受限的离子扩散和/或考虑由钝化（或保护）层的可能形成而引起的过电势。
在一些实施方案中，本文公开的阴离子嵌入主体材料108包括但不限于以下基于碱金属和基于过渡金属的氯氧化物及它们的水合物中的至少一种：Ca4Cl6O、CaHClO、NaH4ClO2、AlClO、Si3(Cl4O)2、SiCl2O、Si6Cl10O7、SiCl2O、Si2Cl2O3、Ti(ClO4)4、TiClO、Mn8Cl3O10、MnH4(ClO)2、FeClO、Ni(ClO4)2、NiH16(ClO8)2、NiH12(ClO3)2、Cu2Cl2O和CuH8(ClO5)2。
在一些实施方案中，本文公开的阴离子嵌入主体材料108包括M(ClO2) x ，其中M可以是Mg、Ca或Na，或者可以是Al、Si、Fe、Co、Ni、Cr、V、Ti、Cu、Zr、Nb、W、Mo、Mn或它们的组合。
在一些实施方案中，本文公开的阴离子嵌入主体材料108包括MA xOy·zH2O，其中M可以是Mg、Ca、Na、Al、Si、Fe、Co、Ni、Cr、V、Ti、Cu、Zr、Nb、W、Mo、Mn或它们的组合，A可以是Cl、F、Br、I、N或P或它们的组合，且0 < x，y，z < 7。
第一电极104可以包含本文公开的阴离子嵌入主体材料108，其与用于稳定性、导电性和/或物理性质的添加剂共混。除了活性材料110之外，第二电极106也可以包含用于稳定性、导电性和/或其他物理性质的添加剂。
导电剂的非限制性实例可包括炭黑、导电炭黑、无定形碳、碳纤维、一种或多种季铵盐，一种或多种烷基磺酸盐，一种或多种无卤素阳离子化合物等，或它们的组合。
聚合物粘合剂的非限制性实例可以是聚偏二氟乙烯（PVdF），聚丙烯腈（PAN），聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），聚乙二醇（PEO），聚酰亚胺，聚多巴胺，聚（乙二醇）二丙烯酸酯，聚甲基戊烯，尼龙，金属芳族聚酰胺，聚醚酰亚胺，共聚酯，聚醚酮，羧甲基纤维素，丁苯橡胶（SBR），共聚物和共混物，例如聚(偏二氟乙烯-六氟丙烯)（PVdF-HFP），聚(偏二氟乙烯-氯三氟乙烯)（PVdF-CTFE），聚(甲基丙烯酸甲酯-乙酸乙烯酯)（PMMA-VAc），聚（乙二醇）二丙烯酸酯（PEGDA），聚(甲基丙烯酸甲酯-丙烯腈-乙酸乙烯酯)（PMMA-AN-VAc），聚(甲基丙烯酸甲酯-共-丙烯酸丁酯)（PMMA-co-BA），聚（3,4-亚乙基二氧噻吩），聚苯乙烯磺酸盐/酯-共-聚乙二醇（PEDOT-co-PEG）等，或它们的组合。在一个实施方案中，第一电极104包含约70至95重量％的嵌入主体材料108，该嵌入主体材料108以溶剂（例如NMP）中的浆料形式与约1至20wt％的炭黑和约1至20wt％的聚合物粘合剂混合，基于该电极的总重量。
再次参考图1-4，在一些实施方案中，装置100被设置在供水系统（未示出）中，该供水系统包括各种泵，导管，阀和相关部件，以将水从源头输送到终端用户。在一个实施方案中，装置100的容器102被设置在供水系统中，使得水溶液120在输入侧124进入容器102并且在输出侧128离开容器102。当水溶液120在流动方向132上移动通过容器102并跨第一电极104的至少一部分时，装置100被配置为具有不同的操作状态，从而使其能够可逆地从水溶液120中去除第一目标离子112。图1-4中所示的流动方向132仅用于参考，并且在其他实施方案中可以逆转。如果流动方向逆转，则装置的输入侧124和输出侧128的位置也将逆转。
图1示出了作为在第一操作状态的脱盐电池组100的装置。待脱氯/脱盐的水溶液120（即，海水）进料到电池组100的输入侧124，并浸没第一电极104。同时，将电压施加到第一电极104以引起第一电极104经由嵌入去除第一目标离子112。如图所示，在第一操作状态开始时，第一电极104充满（fully charged），以致它不包含可移动的第一目标离子112。在一些实施方案中，在第一操作状态开始时，第一电极104可以包含一些可移动的第一目标离子112，其数量小于第一电极104中的可移动的第一目标离子112的全部容量。在一个实施方案中，第一电极104在第一操作状态开始时包含第一电极104中全部容量的至多10％的可移动的第一离子112。
图1和2的比较示出了当电池组100在第一操作状态下运行时水溶液120和第一电极104的状况变化。如图所示，第一目标离子112从水溶液120中去除并嵌入到第一电极104中。当电池组在第一操作状态下操作时离开电池组100的输出侧128的水溶液120将包含比进入电池组100的输入侧124的水更低浓度的第一目标离子112。在第一目标离子112是阴离子Cl-的实施方案中，离开电池组100的水溶液120将是淡水溶液或脱氯的水溶液。在所示的实施方案中，电池组100还包括第二电极106，该第二电极106通过嵌入到第二电极106中而去除第二目标离子116。在第二目标离子116是阳离子Na+的实施方案中，离开电池组100的水溶液120将是脱盐的水溶液。电池组100的第一操作状态有时称为“净化周期”，因为第一目标离子112的去除净化了离开电池组100的水流。在第一操作状态下施加到第一和第二电极104、106的电压被配置为在-0.5至1.5 V之内（其略大于水的稳定性窗口（即，相对于SHE为-0.401至+1.23 V）），以避免水电解。
图3示出了在第二操作状态的电池组100，其中第一电极104被完全排空(discharged)，以致其被第一目标离子112饱和。将另外的海水120进料到电池组的输入侧124，同时向第一电极104施加反向电压以引起第一电极104释放第一目标离子112。图3和4的比较示出了当电池组100在第二操作状态下运行时水溶液120和第一电极104的状况变化。如图所示，第一目标离子112从第一电极104释放到水溶液120中。在所示的实施方案中，第二电极106还将第二目标离子116释放到水溶液120中。当电池组在第二操作状态下操作时离开电池组100的输出侧128的水溶液120将包含比进入电池组100的输入侧124的水更高浓度的第一目标离子112和第二目标离子116。因此，这种水有时称为废水流或溶液或者盐水流或溶液。在第二操作状态下施加到第一电极104的电压也被配置为相对于SHE在-0.5至1.5V之内。一旦释放掉所有的第一目标离子112，第一电极104再一次充满，并准备用于随后的净化周期。
电池组100可以是封闭或开放的系统。电池组100可以分周期地（嵌入和脱嵌）操作，其中水溶液120连续流动。在连续流动下，离开容器102的脱盐水溶液可被存储在贮器（未示出）中。替代地，电池组100可以作为批次式脱盐电池组操作，其中供应有限量的水溶液120并将其盛放在容器102中，以在较小规模的操作中清洁。
本文公开的阴离子嵌入主体材料108具有许多优点。可以使用单一金属氧化物，金属氯氧化物和/或它们的水合物和/或它们的组合以选择性地从水流中去除阴离子（如Cl-）（从饮用水中除去硬度也是一种应用）。本文公开的阴离子嵌入主体材料108可以可逆地去除和释放存在于海水、半咸水和工业用水中的阴离子，而不会对本体电极材料造成严重的结构和机械损害。
在电化学充电/放电过程中，阴离子（例如，Cl-、ClO2 -、ClO4 -等）的插入（脱出）在热力学上（可逆地）优先于通过提取化合物内的其他元素（例如金属、氧、氢等）而分解电极主体，这已经通过基于热力学的第一性原理DFT计算得到验证。
开发的计算方法已经鉴定了可产生可逆的阴离子嵌入（脱嵌）的化合物的一般性设计原理（即，必要的结构特征），并且这些原理可以扩展到其他金属氧化物、金属氯氧化物及它们的水合物。
本文公开的阴离子嵌入主体材料108可以通过以下方式承载阴离子种类：（1）充当单一元素阴离子（例如，Cl-、F-等）的主体，（2）承载阴离子复合物如ClO2 -、SO4 2-等，和（3）插入（脱出）金属阴离子簇，例如，AlCl4 -、MgCl3 -等。
对水的离子化和溶剂化可以通过完全和/或部分替换在MOxCly·zH2O系统中具有较高电负性值的金属和准金属M而进一步改进和调节（即，减小化合物的离子性，而增加其共价性）。
为了清洁和脱盐的目的，本文公开的阴离子嵌入主体材料108（其包括三元、四元和更多元的金属氧化物，准金属氧化物，（准）金属氯氧化物，和水合物形式）能够可逆地吸收可能存在于海水和工业用水中的阴离子，其包括单一阴离子种类，如F-、Cl-、Br-、I-、S2-，阴离子复合物，包括但不限于ClO4 -、ClO3 -、ClO2 -、BrO4 -、BrO3 -、SO4 2-、SiO3 2-、CN-，和含金属阴离子，如MX y O z n-（M = Na、Mg、Al、Si、K、Ca、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、Mo、Sn、Cs和Pb；X =F、Cl、Br、I、N和P；0 < y
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4），从而相对于采用基于银的AgCl电极的现有技术提高水脱盐清洁装置（desalination water cleaning device）和工艺的性能和效率。
相比于在现有的脱盐电池组中使用的Ag/AgCl阳极，本文公开的阴离子嵌入主体材料108可以通过简单、便捷且成本有利的固态或基于溶液的合成路线以工业规模大量生产。
尽管在附图和上面说明中已经详细解释和描述了本公开，但其本身应当认为是示例性的而非限制性的。应当理解，仅给出了优选的实施方案，并且意在保护落入本公开的精神之内的所有变化、改进和进一步应用。

Claims (20)

1.用于脱盐电池组的嵌入电极，其包括：
包括各自为三元或更多元的金属氧化物，准金属氧化物，金属氯氧化物，准金属氯氧化物及它们的水合物中的至少一种的嵌入化合物，该嵌入化合物被配置为至少部分浸入盐水溶液并经历可逆的嵌入反应，在该可逆的嵌入反应中(i)在电极的第一状况来自盐水溶液的阴离子可逆地插入到该嵌入化合物中，并且(ii)在电极的第二状况该嵌入化合物中的阴离子从该嵌入化合物中脱出到该盐水溶液。
2.根据权利要求1所述的嵌入电极，其中在第一和第二状况下，阴离子插入到嵌入化合物中或从嵌入化合物中脱出的电压分别在-0.5V至1.5V的电压范围内。
3.根据权利要求2所述的嵌入电极，其中所述电压超过所述电压范围至多0.4V，以
(i)克服动力学上受限的离子扩散，和
(ii)考虑由所述嵌入电极上形成的钝化层引起的过电势
中的一个或多个。
4.根据权利要求1所述的嵌入电极，其中在第一和第二状况下，所述阴离子插入到所述嵌入化合物中或从所述嵌入化合物中脱出的电压各自低于金属溶解电势和氧气析出电势两者。
5.根据权利要求1所述的嵌入电极，其中嵌入化合物具有(i)Cl-的空位形成能，为每Cl位置在0.8至2.8eV之间，和(ii)金属、氧和氢中的一个或多个的相应空位形成能，其高于Cl-的空位形成能。
6.根据权利要求1所述的嵌入电极，其还包括与所述嵌入化合物共混的至少一种导电剂和至少一种聚合物粘合剂，所述嵌入化合物、导电剂和聚合物粘合剂分别占约70至90重量％，约1至20 wt％和约1至20 wt％，基于该电极的总重量。
7.根据权利要求1所述的嵌入电极，其中所述嵌入化合物具有化学式Mg(ClO2)2·6H2O、MgCl2O和NaClO2·3H2O中的至少一个。
8.根据权利要求1所述的嵌入电极，其中所述嵌入化合物具有化学式AlH12(ClO2)3、FeH8(ClO2)2、MnH8(ClO2)2和NiH8(ClO2)2中的至少一个。
9.根据权利要求1所述的嵌入电极，其中所述嵌入化合物具有化学式AlClO、Ca4Cl6O、CaHClO、Cu2Cl2O、CuH8(ClO5)2、FeClO、Mn8Cl3O10、MnH4(ClO)2、NaH4ClO2、Ni(ClO4)2、NiH16(ClO8)2、NiH12(ClO3)2、Si3(Cl4O)2、SiCl2O、Si6Cl10O7、SiCl2O、Si2Cl2O3、Ti(ClO4)4和TiClO中的至少一个。
10.根据权利要求1所述的嵌入电极，其中所述嵌入化合物具有化学式M(ClO2) x ，其中M ＝ Al、Ca、Co、Cr、Cu、Fe、Mg、Mn、Mo、Na、Nb、Ni、Si、Ti、V、W、Zr或它们的组合且1≤x≤7。
11.根据权利要求1所述的嵌入电极，其中所述嵌入化合物具有化学式MA xOy·zH2O，其中M = Al、Ca、Co、Cr、Cu、Fe、Mg、Mn、Mo、Na、Nb、Ni、Si、Ti、V、W、Zr或它们的组合，A = Br、Cl、F、I、N、P或它们的组合，且0 < x，y，z < 7。
12.一种脱盐电池组，其包括：
第一电极；
第二电极；
第一电极中包含的第一嵌入化合物，该第一嵌入化合物包括各自为三元或更多元的金属氧化物，准金属氧化物，金属氯氧化物，准金属氯氧化物及它们的水合物中的至少一种；
容器，其被配置为容纳具有第一浓度c 1 的溶解盐的盐水溶液，第一和第二电极被配置为经设置以与该盐水溶液流体连通；和
电源，其被配置为向第一和第二电极供应电流，使得第一嵌入化合物可逆地存储和释放来自盐水溶液的位于第一嵌入化合物中的目标阴离子，以在容器中产生具有第二浓度c 2 的溶解盐的淡水溶液和具有第三浓度c 3 的溶解盐的废水溶液，以使得c 3 > c 1 > c 2 。
13.根据权利要求12所述的脱盐电池组，其中第一嵌入化合物在-0.5至1.5V的电压范围内可逆地存储和释放目标阴离子。
14.根据权利要求12所述的脱盐电池组，其中目标阴离子包括单一阴离子种类，阴离子复合物和含金属阴离子中的一种或多种。
15.根据权利要求12所述的脱盐电池组，其中第一嵌入化合物具有化学式Mg(ClO2)2·6H2O、MgCl2O和NaClO2·3H2O中的至少一个。
16.根据权利要求12所述的脱盐电池组，其中第一嵌入化合物具有化学式AlH12(ClO2)3，FeH8(ClO2)2，MnH8(ClO2)2和NiH8(ClO2)2中的至少一个。
17.根据权利要求12所述的脱盐电池组，其中第一嵌入化合物具有化学式AlClO、Ca4Cl6O、CaHClO、Cu2Cl2O、CuH8(ClO5)2、FeClO、Mn8Cl3O10、MnH4(ClO)2、NaH4ClO2、Ni(ClO4)2、NiH16(ClO8)2、NiH12(ClO3)2、Si3(Cl4O)2、SiCl2O、Si6Cl10O7、SiCl2O、Si2Cl2O3、Ti(ClO4)4和TiClO中的至少一个。
18.根据权利要求12所述的脱盐电池组，其中第一嵌入化合物具有化学式M(ClO2) x ，其中M ＝ Al、Ca、Co、Cr、Cu、Fe、Mg、Mn、Mo、Na、Nb、Ni、Si、Ti、V、W、Zr或它们的组合且1≤x≤7。
19.根据权利要求12所述的脱盐电池组，其中第一嵌入化合物具有化学式MA xOy·zH2O，其中M = Al、Ca、Co、Cr、Cu、Fe、Mg、Mn、Mo、Na、Nb、Ni、Si、Ti、V、W、Zr或它们的组合，A = Br、Cl、F、I、N、P或它们的组合，且0 < x，y，z < 7。
20.根据权利要求12所述的脱盐电池组，其中所述第二电极包含第二嵌入化合物，该第二嵌入化合物可逆地存储和释放来自盐水溶液的目标阳离子，以在容器中产生具有第四浓度c 4 的溶解盐的淡水溶液和具有第五浓度c 5 的溶解盐的废水溶液，以使得c 2 > c 4 且c 5 >c 3 。
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