專(zhuān)利名稱(chēng)：超電容式脫鹽裝置及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超電容式脫鹽裝置(supercapacitive desalination)及其制造方法。
背景技術(shù)：
超電容式脫鹽裝置采用一對(duì)極性相反的電極。在充電步驟過(guò)程中，允 許進(jìn)料流(feed stream)從超電容式脫鹽裝置中流過(guò)。進(jìn)料流中的離子性物質(zhì) 吸附于帶有相反電荷的電極表面，從而除去進(jìn)料流中的離子，生成淡化輸 出物(diluteoutput)。在放電步驟過(guò)程中，離子性物質(zhì)從電極表面上解吸附并 進(jìn)入進(jìn)津牛;危而生成;農(nóng)專(zhuān)命出物(concentrate output)。
此外，電極的多孔材料的孔隙體積內(nèi)存在與該電極所帶電荷相同的離 子(此后稱(chēng)為帶相同電荷的離子(similarly charged ion))。在充電步驟過(guò)程中， 施加電壓后， 一部分帶相同電荷的離子可隨即從電極中脫出并加入到進(jìn)料 流中。這種不期望出現(xiàn)的孔隙體積離子遷移消耗額外的電流并增加進(jìn)料流 中的雜質(zhì)。在這種情況下，可能僅在電極吸附過(guò)量進(jìn)料離子(超過(guò)從孔隙體 積中脫出的離子)時(shí)進(jìn)行進(jìn)料流的凈化。相反，在放電步驟過(guò)程中，除了帶 相反電荷的離子從多孔電極上解吸附進(jìn)入進(jìn)料流之外，進(jìn)料流中一部分帶 相同電荷的離子也可能吸附到孔隙體積中。盡管吸附帶相同電荷的離子在 所有濃度下均會(huì)發(fā)生，但在較高濃度下變得更為嚴(yán)重。
可能期望獲得不同于現(xiàn)有裝置的超電容式脫鹽裝置?？赡芷谕@得不 同于現(xiàn)有方法的超電容式脫鹽裝置制造方法。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)一種實(shí)施方案，提供電極組件。該組件包括經(jīng)配置吸附帶相反電 荷的離子的可充電電極，其中該電極包括多孔材料。該組件還包括與可充 電電極的多孔材料接觸的離子交換材料，其中該離子交換材料與可充電電 極帶有相同的電荷，并且其中該離子交換材料可滲透帶相反電荷的離子且至少部分地不可滲透帶相同電荷的離子。
根據(jù)一種實(shí)施方案，提供超電容式脫鹽裝置。該裝置包括一對(duì)電荷相 反的電極。電荷相反的電極中的至少一個(gè)包括可選擇性滲透帶電離子的離 子交換材料。
根據(jù)一種實(shí)施方案，提供制造電極組件的方法。該方法包括形成電 極材料和離子交換材料的混合物、將該混合物分散在溶劑中以形成漿料、 以及對(duì)該漿料進(jìn)行模塑以形成電極組件。
根據(jù)一種實(shí)施方案，提供制造電極組件的方法。該方法包括形成離子 交換材料和粘結(jié)劑的混合物以及將該混合物涂布在多孔電極上。
根據(jù)一種實(shí)施方案，提供制造電極組件的方法。該方法包括形成可聚 合材料以及將該可聚合材料涂布在多孔電極的表面上以形成聚合物涂層。
參照附圖閱讀以下詳細(xì)說(shuō)明時(shí)將更好地理解這些及其它特征和方面。


圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的超電容式脫鹽裝置的示意圖。
圖2-3是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的超電容式脫鹽裝置的截面圖。
圖4是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的超電容式脫鹽裝置的截面圖。
圖5-7示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案制造包括離子交換材料的電極的工藝步驟。
圖8-9是樣品的試驗(yàn)結(jié)果的圖示。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的實(shí)施方案提供用于超電容式脫鹽應(yīng)用的電極組件。此外，提 供該電極組件的制造和使用步驟。該電極組件包括可充電電極，該可充電 電極可吸附與其所帶電荷相反的離子，當(dāng)該電極的電極性變換時(shí)，所述帶 電離子受到該電極的排斥并返回溶液。
如本文所用，術(shù)語(yǔ)"可充電電極"是指在施加電壓時(shí)可充電的電極。 如本文所用，術(shù)語(yǔ)"孔隙體積，，是指多孔材料內(nèi)的體積或開(kāi)放空間。如本 文所用，術(shù)語(yǔ)"充電步驟"是指超電容式脫鹽裝置工作過(guò)程中的下述步驟 該裝置使用的電極組件即正極組件和負(fù)極組件經(jīng)配置吸引并吸附進(jìn)料流中 帶相反電荷的離子，進(jìn)而生成淡化輸出物，與輸入進(jìn)料流相比，該淡化輸出物具有明顯較小的離子性物質(zhì)濃度。如本文所用，術(shù)語(yǔ)"放電步驟"是 指超電容式脫鹽裝置工作過(guò)程中的下述步驟電極組件經(jīng)配置解吸附其在 充電步驟中所吸附的離子性物質(zhì)。如本文所用，術(shù)語(yǔ)"可滲透"是指材料 允許離子性物質(zhì)通過(guò)層或涂層到達(dá)該材料下面的電極表面的性質(zhì)。如本文 所用，術(shù)語(yǔ)"陽(yáng)離子交換材料"是指帶負(fù)電荷并允許陽(yáng)離子通過(guò)而至少部 分地阻擋陰離子通過(guò)的材料。
電極由多孔材料制成，該多孔材料可包括帶相同電荷的離子性物質(zhì)， 即在超電容式脫鹽裝置的充電步驟中與該電極所帶電荷相同的離子性物 質(zhì)。例如，對(duì)于負(fù)極而言，該負(fù)極的孔隙體積中存在帶負(fù)電荷的離子性物 質(zhì)。帶相同電荷的離子性物質(zhì)可設(shè)置在形成帶電電極的多孔材料的孔隙體 積內(nèi)。在裝置的充電步驟中，允許含有離子性雜質(zhì)的進(jìn)料流在一對(duì)帶電電 極之間流動(dòng)。帶電電極經(jīng)配置借助離子相互作用吸附進(jìn)料中帶相反電荷的 離子。例如，如果帶電電極為正極，則該帶電電極經(jīng)配置將陰離子吸附于 表面。
電極組件還包括與帶電電極的多孔材料接觸的離子交換材料。該離子 交換材料可滲透進(jìn)料流中存在的帶相反電荷的離子。在一實(shí)施方案中，離 子交換材料至少部分地不可滲透帶相同電荷的離子。換言之，該離子交換 材料阻止帶相同電荷的離子在放電步驟過(guò)程中從進(jìn)料流遷移到多孔材料的 孔隙體積中，以及消除帶相同電荷的離子在充電步驟過(guò)程中離開(kāi)電極并進(jìn) 入進(jìn)料流的可能。在一實(shí)施方案中，僅有正極或負(fù)極之一可具有離子交換 材料。在其它實(shí)施方案中，在所述兩個(gè)電極上可均設(shè)置有離予交換材料。
在一實(shí)施方案中，離子交換材料可至少部分地設(shè)置在電極體內(nèi)。在該 實(shí)施方案中，離子交換材料可在形成電極時(shí)與電極材料混合。在一實(shí)施方
案中，離子交換材料可占電極材料總重的1%至70%。在示范性實(shí)施方案中， 離子交換材料的量為電極材料總重的30重量％。在一實(shí)施方案中，離子交 換材料包括粒徑為0.1微米至10微米的顆粒。當(dāng)離子交換材料設(shè)置在電極 內(nèi)時(shí)，可能期望較小的粒徑。
離子交換材料可存在于電極的整個(gè)周?chē)鷧^(qū)域之中。在其它實(shí)施方案中， 離子交換材料可僅存在于電極的一部分周?chē)鷧^(qū)域之中。在一實(shí)施方案中， 離子交換材料可以一層或多層的形式存在。 一層或多層離子交換材料可直 接沉積在電極之上。可供選擇地， 一層或多層離子交換材料可單獨(dú)形成并順次與電極連接。另外，所述一層或多層可含有相同或不同的離子交換材 料。
在一實(shí)施方案中，電極可具有至少部分地設(shè)置在該電極內(nèi)的第一離子 交換材料和至少設(shè)置在該電極表面的一部分之上的第二離子交換材料層。 第一和第二離子交換材料可相同或不同。在其它實(shí)施方案中， 一個(gè)電極可
具有設(shè)置在該電極體內(nèi)的離子交換材料，另 一個(gè)電極可具有設(shè)置在該電極 表面上的離子交換材料。
圖1是充電步驟中超電容式脫鹽裝置10的示意圖。該裝置10分別包 括負(fù)極組件12和正極組件14。電極組件12和14各自包括帶電電極和離子 交換材料。含有作為雜質(zhì)之一的離子性物質(zhì)的進(jìn)料流16從電極組件12和 14中流過(guò)。在裝置10的充電步驟中，組件12和14吸附離子性物質(zhì)的至少 一部分以生成淡化輸出物34，與進(jìn)料流16相比，該淡化輸出物34具有較 低的離子性物質(zhì)濃度。如圖所示，電極組件12包括由多孔材料20形成的 負(fù)極18。電極組件12包括與負(fù)極18的多孔材料20接觸的陽(yáng)離子交換材料 22。
用于負(fù)極18的適宜材料可包括碳、活性炭、石墨、多孔炭末顆粒、炭 黑氣凝膠、碳納米管、碳布、碳纖維或者其中兩種或更多種的組合。陽(yáng)離 子30的實(shí)例可包括鈉離子、鈣離子、鎂離子、鉀離子和質(zhì)子。在充電步驟 中，帶相同電荷的離子，即負(fù)極18中存在的陰離子23由于陰離子23和負(fù) 極18均帶有負(fù)電荷而經(jīng)受斥力。陽(yáng)離子交換材料22也可部分地存在于負(fù) 極18的表面上。通過(guò)施用陽(yáng)離子交換材料22,可阻止負(fù)極18中初始存在 的陰離子23的至少一部分從負(fù)極18中脫出。離子交換材料中存在的自由 陽(yáng)離子經(jīng)配置與陰離子23結(jié)合，從而阻止陰離子23離開(kāi)負(fù)極18。陽(yáng)離子 交換材料22還吸附進(jìn)料流16中的陽(yáng)離子30。
類(lèi)似地，正極組件14包括含有多孔材料26的正極24。組件14還包括 設(shè)置在正極24體內(nèi)的陰離子交換材料28。如本文所用，術(shù)語(yǔ)"陰離子交換 材料"是指帶正電荷并允許陰離子32通過(guò)而至少部分地阻止帶相同電荷的 離子即陽(yáng)離子25通過(guò)的材料。用于正極24的適宜材料可包括碳、活性炭、 石墨、多孔炭末顆粒、炭黑氣凝膠、碳納米管、碳布、碳纖維或其中兩種 或更多種的組合。陰離子32的實(shí)例可包括但不限于氯離子、硫酸根、碳酸 根、碳酸氫根和氫氧根。陰離子交換材料28可部分地存在于正極24的表面上。陰離子交換材料28阻止陽(yáng)離子25因離子間斥力而從正極24中脫出。
盡管本文所預(yù)期的實(shí)施方案具體呈現(xiàn)為離子交換材料22和28至少部 分地設(shè)置在電極18和24的體內(nèi)，但離子交換材料還可以層的形式存在于 帶電電極例如負(fù)極18或正極24或者兩者(圖2)的表面上。在該實(shí)施方案中， 離子交換材料可存在于電極18和/或24的體內(nèi)或者沒(méi)有存在于電極18和/ 或24的體內(nèi)。當(dāng)采用外涂層或?qū)有问降碾x子交換材料時(shí)，至少帶相反電荷 的電極吸附進(jìn)料流中存在的陽(yáng)離子和陰離子的一部分。進(jìn)而，離子在被離 子交換材料吸附之后透過(guò)離子交換材料并到達(dá)相應(yīng)電極的表面。因而，離 子交換材料的表面可供即將進(jìn)入的進(jìn)料流中的離子使用。
工作時(shí)，電極中與該電極所帶電荷相同的離子性物質(zhì)可能由亍離子間 斥力而被推出。從電極中推出的離子與進(jìn)料流混合并提高淡化輸出物中的 離子濃度。離子交換材料中存在的自由離子與電極中受斥力作用的帶相同 電荷的離子結(jié)合，從而阻止這些帶相同電荷的離子從電極中脫出。
現(xiàn)轉(zhuǎn)向圖2，示出了超電容式脫鹽裝置36的實(shí)施方案。超電容式脫鹽 裝置36包括電極組件38,該電極組件38經(jīng)配置在裝置36的充電步驟中充 當(dāng)負(fù)極組件。電極組件38包括具有表面42的電極40。電極40在裝置36 的充電步驟中帶負(fù)電荷。組件38還包括陽(yáng)離子交換層44形式的陽(yáng)離子交 換材料。如圖所示，該陽(yáng)離子交換層可設(shè)置在電極40的表面上，例如電極 40的表面42上。在一實(shí)施方案中，陽(yáng)離子交換層可以是單層。在另一實(shí)施 方案中，陽(yáng)離子交換層可以是相同或不同離子交換材料的兩個(gè)或更多層的 組合。在所示實(shí)施方案中，裝置36還包括正極組件46。正極組件46包括 正極48，該正極48包括具有表面50的陰離子交換層52。陰離子交換層52 吸附陰離子56并至少部分地阻止陽(yáng)離子60離開(kāi)正極48。
現(xiàn)參考圖3,示出了具有電極組件64和66的超電容式脫鹽裝置62的 截面圖。負(fù)極組件64包括負(fù)極68,該負(fù)極68具有設(shè)置于其表面72上的陽(yáng) 離子交換材料70。陽(yáng)離子交換材料70可以層或膜的形式形成。類(lèi)似地，正 極組件66包括正極74和設(shè)置在正極74的表面78上的陰離子交換材料76。 與圖2所示的實(shí)施方案不同，電極68和74在所有側(cè)面上均具有離子交換 材料70和76,在圖2所示的實(shí)施方案中離子交換材料44和52僅設(shè)置在電 極40和48的暴露于進(jìn)津+流的側(cè)面上。
在一實(shí)施方案中，電極如電極40、 48、 68和74可以層疊結(jié)構(gòu)用于超電容式脫鹽裝置。在層疊結(jié)構(gòu)中，可將多對(duì)電極設(shè)置成層疊體形式。此外， 可將隔離體設(shè)置在各對(duì)電極之間。為了借助去離子作用凈化液體，可將數(shù) 個(gè)這樣的單元配置成具有進(jìn)水口和出水口構(gòu)造的層疊體形式。在一實(shí)施方 案中，可使供液多次通過(guò)層疊體，即可利用多次重復(fù)除去液體中的離子， 以達(dá)到容許或期望的帶電物質(zhì)含量。在一實(shí)施方案中，可將多對(duì)電極布置 成層疊體，使得一對(duì)電極的輸出可視為其它單元的供液。從而，可允許液 體從出口離開(kāi)之前數(shù)次通過(guò)電極對(duì)。
圖4示出了超電容式脫鹽裝置80的實(shí)施方案。裝置80包括具有負(fù)極 組件82和正極組件84的一對(duì)電極組件。負(fù)極組件82包括具有膜88狀陽(yáng) 離子交換材料的負(fù)極86,正極組件84包括具有膜92狀陰離子交換材料的 正極90。使用隔離體94使膜88和92彼此物理隔離。在一實(shí)施方案中，陰 離子交換材料92和陽(yáng)離子交換材料88的陽(yáng)離子聚合物和陰離子聚合物可 獨(dú)立地涂布在兩個(gè)隔板上。隨后，可采用一定的溫度使聚合物固化。接著， 可鄰近隔離體94設(shè)置涂布在隔板上的離子聚合物以形成流動(dòng)通道。具有隔 板-隔離體-隔板(separator-spacer-separator)布置的才莫塊可i殳置在兩個(gè)電極之 間以形成一對(duì)電極組件。具有離子交換材料的獨(dú)立模塊的構(gòu)造可簡(jiǎn)化組裝 過(guò)程。此外，這種模塊化設(shè)計(jì)還可便于沖洗和更換電極上的離子交換材料。 模塊化設(shè)計(jì)可有益于提高部件的靈活性，即電極和隔離體可單獨(dú)制造，隔 離體比電極輕且易于處理，鑒于隔離體的靈活性而可采用各種涂布方法如 浸涂法、刮涂法、噴涂法、層疊法。
根據(jù)該實(shí)施方案制造的示范性系統(tǒng)得到的試驗(yàn)結(jié)果表明，使用離子交 換材料使超電容式脫鹽裝置的電流效率和能量效率得以改善。在一實(shí)施方 案中，以層的形式設(shè)置在電極上的離子交換材料的電阻為O.in.cm2至 50Q.cm2。在一實(shí)施方案中，在裝置工作期間沒(méi)有電壓施加在離子交換材料 上。此外，可通過(guò)選擇離子交換材料的聚合物獲得改善。例如，與僅使用 陰離子型或陽(yáng)離子型離子交換材料兩者之一相比，陽(yáng)離子型和陰離子型離 子交換材料兩者的組合可產(chǎn)生不同的結(jié)果。對(duì)于電極中的離子交換材料， 還可通過(guò)選擇最佳厚度或百分比實(shí)現(xiàn)電流和/或能量效率的改善。
在一實(shí)施方案中，超電容式脫鹽裝置的電流效率為40%至99%。電流 效率可能與電極組件中存在的離子交換材料的量相關(guān)。根據(jù)該實(shí)施方案制 造的示范性系統(tǒng)得到的試驗(yàn)結(jié)果表明，電極組件中的陽(yáng)離子交換材料用量增加致使電流效率提高。在這些試驗(yàn)中，陽(yáng)離子交換材料以涂層的形式施
用于負(fù)極。例如，對(duì)于0至5 mg/cn^的陽(yáng)離子交換材料加料量電流效率為 40%,對(duì)于12.5mg/cr^的陽(yáng)離子交換材料加料量電流效率為55%，對(duì)于37.5 mg/cni2的陽(yáng)離子交換材料加料量電流效率為70%,對(duì)于75 mg/cm2的陽(yáng)離 子交換材料加料量電流效率為75%。
類(lèi)似地，對(duì)于正極，在未使用陰離子交換材料時(shí)電流效率為40%，在 使用12.5 mg/cm2的陰離子交換材料時(shí)電流效率增加到50%,在使用37.5 mg/cm2的陰離子交換材料時(shí)電流效率為60%。在負(fù)才及和正極兩者均使用離 子交換材料時(shí)，電流效率可高于僅有 一個(gè)電極使用離子交換材料的情況。 在一個(gè)實(shí)例中，在正極上使用37.5mg/ciT^的陰離子交換材料并在負(fù)極上使 用等量的陽(yáng)離子交換材料使得電流效率大于80%。
在一 實(shí)施方案中，可使用 一種或多種導(dǎo)電聚合物作為離子交換材料。 這種導(dǎo)電聚合物的非限制性實(shí)例可包括聚苯胺、聚吡咯、聚p塞吩或者其中 兩種或更多種的組合。衍生物包括磺酸基、氯、氟、烷基、烷氧基和笨基 取代基。導(dǎo)電材料可以涂層的形式施用于正極。
在其它實(shí)施方案中，可使用一種或多種離子導(dǎo)電聚合物作為離子交換 材料。離子導(dǎo)電聚合物的非限制性實(shí)例可包括均聚物、無(wú)規(guī)共聚物、接枝 共聚物和/或嵌段共聚物。共聚物可以是一種或多種離子或非離子型單體的 產(chǎn)物。在一實(shí)施方案中，離子型單體可包括一種或多種作為陽(yáng)離子交換材 料的陰離子型單體。在另一實(shí)施方案中，離子型單體可包括一種或多種作 為陰離子交換材料的陽(yáng)離子型單體。離子交換材料可以是一種或多種離子 型單體的聚合產(chǎn)物。陰離子型單體的實(shí)例包括化合物，例如磺酸鹽、磷酸 鹽、羧酸鹽、硼酸鹽或者其中兩種或更多種的組合。陽(yáng)離子型單體的實(shí)例 包括伯胺鹽、仲胺鹽、叔胺鹽或季銨鹽，咪唑絲，胍錄，吡。定絲，或者其中 兩種或更多種的組合。非離子型單體的非限制性實(shí)例可包括苯乙烯、丙烯 酸酯、曱基丙烯酸酯、丙烯酰胺、乙烯基吡咬、乙烯基吡咯烷酮、環(huán)氧化 物、醛、酮、羥烷基化合物、硅氧烷、氨基曱酸酯以及其中兩種或更多種 的組合。
離子導(dǎo)電聚合物可以是交聯(lián)材料。在示范性實(shí)施方案中，使用交聯(lián)聚 苯乙烯磺酸作為陽(yáng)離子交換材料?？稍诖嬖谝l(fā)劑的條件下使苯乙烯磺酸 鹽與N,N'-亞曱雙丙烯酰胺反應(yīng)，形成交聯(lián)聚苯乙烯磺酸。引發(fā)劑的非限制性實(shí)例可包括偶氮二異丁腈和過(guò)氧苯曱酰。該反應(yīng)可在30°C至60°C的溫 度下進(jìn)行。接著，可將聚合物酸薄涂層施用于電極。還可在30。C至60。C 的溫度下加熱該涂層。在另一示范性實(shí)施方案中，使用交聯(lián)聚曱基丙烯酸 二甲基氨基乙酯作為陰離子交換材料?？稍诖嬖冢?1發(fā)劑的條件下使曱基丙 烯酸二曱氨基乙酯與N,N'-亞曱雙丙烯酰胺反應(yīng)，形成交聯(lián)聚曱基丙烯酸二 曱基氨基乙酯。該反應(yīng)可在30°C至60°C的溫度下進(jìn)行。接著，可將聚合 物薄涂層施用于電極。涂層厚度可以為0.0001 mm至1 mm。可基于所需的 離子交換材料電導(dǎo)率選擇涂層厚度。此外，期望獲得在酸性介質(zhì)和堿性介 質(zhì)中均耐腐蝕且穩(wěn)定的離子交換材料。
在 一 實(shí)施方案中，使胺與環(huán)氧化物反應(yīng)并隨后使反應(yīng)產(chǎn)物與卣離子季 銨化制成用作陰離子交換材料的陽(yáng)離子聚合物。在一實(shí)施方案中，混合4 ml 5%的三亞乙四胺(TETA)和4 ml 20%的環(huán)氧化物水溶液，形成混合物。將該 混合物置于干電極上。例如通過(guò)置于100。C的爐內(nèi)對(duì)該電極進(jìn)行加熱。將 混合物置于電極并加熱電極的步驟可重復(fù)數(shù)次以控制加載于電極上的陽(yáng)離 子交換材料的量。在一實(shí)施方案中，于100。C加熱電極12小時(shí)之后，對(duì)電 極進(jìn)行后處理以季銨化胺基。在示范性實(shí)施方案中，季銨化步驟可包括將 含有5 ml 5%的1，4-二溴-2,3-丁二酮的乙酸乙酯溶液施用于電極。在另一實(shí) 施方案中，可對(duì)電極進(jìn)行磺化以將磺酸基引入離子交換材料。隨后，允許 反應(yīng)進(jìn)行30分鐘。接著，可使用去離子水沖洗電極。
參考圖5,示出了制造離子交換材料聚合物涂層的方法。在所示實(shí)施方 案中，通過(guò)使單體在電極上原位聚合，形成聚合物涂層。在方框96中，形 成或提供可聚合材料。可聚合材料可包括離子或非離子型單體、離子或非 離子型低聚物、離子或非離子部分聚合聚合物、離子或非離子完全聚物聚 合物或者其中兩種或更多種的組合。任選地，在提供單體、低聚物或部分 聚合聚合物形式的可聚合材料時(shí)，還可提供交聯(lián)劑和/或引發(fā)劑(方框97)。 在示范性實(shí)施方案中，提供引發(fā)劑還可包括提供引發(fā)方式如熱量或紫外(UV) 光。適宜的交聯(lián)劑的非限制性實(shí)例可包括二乙烯基苯和N,N'-亞曱雙丙烯酰 胺。適宜的引發(fā)劑的非限制性實(shí)例可包括偶氮二異丁腈和過(guò)氧苯曱酰。
此外，在方框98中，將可聚合材料與任選的交聯(lián)劑和/或交聯(lián)劑的混合 物溶于溶劑以形成漿料?？沙暼芙庠摶旌衔飻?shù)分鐘。溶劑的非限制性實(shí) 例可包括去離子水、乙醇或者其中兩種或更多種的組合。在一實(shí)施方案中，可使用水和乙醇的混合物作為溶劑?；旌衔镏腥軇┑闹亓勘瓤蔀?0%至 90%。另外，可通過(guò)使惰性氣體如氬氣起泡除去漿料中存在的氣體如氧氣。
在方框100中，加熱漿料以促進(jìn)溶液中的可聚合材料、交聯(lián)劑和引發(fā)劑溶
解?？蓪⒀b有漿料的容器置于用于均勻加熱的油浴中，對(duì)該容器進(jìn)行加熱。
在一實(shí)施方案中，歷經(jīng)1至30分鐘將漿料加熱至70。C至80。C。進(jìn)行預(yù)聚 合以將漿料的粘度提高到0.1 Pa-s。
在預(yù)聚合之后，將漿料轉(zhuǎn)移到另一容器中。在方框102中，將預(yù)聚合 漿料涂布在電極上以形成離子交換材料層?？赏ㄟ^(guò)任意已知的常規(guī)涂布方 法如流延法、浸涂法或絲網(wǎng)印刷法進(jìn)行涂布。在方框104中，固化漿料以 在電極上形成離子交換材料涂層。在固化涂層期間或之后， 一部分涂層可 滲入電極的多孔材料并形成復(fù)合電極，其中離子交換材料涂層存在于電極 表面且一部分離子交換材料存在于電極內(nèi)。在一實(shí)施方案中，可通過(guò)將電 極在30。C至40°C的爐中放置1至6小時(shí)來(lái)進(jìn)行固化。接著，可將爐溫升 高50。C至70。C。
圖6示出了使用離子交換樹(shù)脂粉末制造電極上的離子交換材料涂層的 方法。該方法包括提供樹(shù)脂粉末(方框106)。樹(shù)脂粉末可商購(gòu)。商購(gòu)樹(shù)脂的 粒徑可以為3-12 mm。商購(gòu)陽(yáng)離子交換樹(shù)脂的實(shí)例可包括AMBERLITE IR-120、 DOWEX 50和DIAION SK-IA。商購(gòu)陰離子交換樹(shù)脂的實(shí)例可包括 AMBERLITE IA-400和DIAION SA-10A。在方框108中，可對(duì)樹(shù)脂進(jìn)行 處理以使粒徑降至低于50微米。在一實(shí)施方案中，可對(duì)樹(shù)脂進(jìn)行2小時(shí)的 球磨以達(dá)到預(yù)定的粒徑。在方框110中，形成樹(shù)脂和去離子水的懸浮液。 可供選擇地，可使用適當(dāng)?shù)娜軇┬纬蓱腋∫骸?br> 樹(shù)脂與去離子水的重量比為1:1至1:5。在方框112中，將粘結(jié)劑或基 體材料添加到懸浮液中以形成混合物。粘結(jié)劑的實(shí)例可包括聚四氟乙烯 (PTFE)或聚偏二氟乙烯(PVDF)。粘結(jié)劑可以水乳液的形式添加。此外，粘 結(jié)劑與樹(shù)脂的重量比為1:0.05至1:0.2。此外，攪拌該混合物5至10分鐘以 使其均勻。在方框114中，將均勻混合物涂布于電極?？刹捎弥T如旋涂法、 浸涂法、刮涂法、噴涂法、層疊法或絲網(wǎng)印刷法等方法進(jìn)行涂布。在方框 116中，固化涂層以使其干燥。
在另一實(shí)施方案中，如圖7所示，將電極材料與離子交換材料混合以 形成電極。該方法包括提供樹(shù)脂粉末(方框118)。如以上結(jié)合圖6所述，樹(shù)脂粉末可商購(gòu)。在方框120中，可對(duì)樹(shù)脂粉末進(jìn)行處理以減小粒徑。在方
框122中，將粘結(jié)劑和碳源添加到樹(shù)脂粉末中以形成混合物。粘結(jié)劑可包 括以上結(jié)合圖6所列出的任意粘合劑。接著，在方框124中，將乙醇添加 到混合物中形成漿料?；旌衔锖鸵掖嫉闹亓勘葹?:1至1:5。此外，攪拌漿 料5至IO分鐘以使其均勻。在方框126中，將均勻漿料涂布于集電體以形 成電極。可采用諸如旋涂法、浸涂法、刮涂法、噴涂法、層疊法或絲網(wǎng)印 刷法等方法進(jìn)行涂布。在可供選擇的實(shí)施方案中，可將漿料模塑成電極狀。 在方框128中，固化電極以使其干燥。
參考圖8-9,制造并評(píng)價(jià)具有14個(gè)電極的7單元層疊體。有效電極尺 寸為10cmx25cm。導(dǎo)電連接電極對(duì)為2-3、 4-5、 6-7、 8-9、 10-11和12-13。 充電時(shí)在第一個(gè)電極和第十四個(gè)電極之間施加恒壓(7V)直流電。每個(gè)電極的 總電極表面積為250 cm2。離子的流通進(jìn)料濃度為1000至5000 ppm。采用 2秒的脈寬和10秒的脈沖間隔。層疊電容隨充電電流(充電速度)的增大而減 小。可觀察到從100 mA至500 mA電容下降38°/。。電極的電阻可能與電流 和進(jìn)料濃度無(wú)關(guān)。離子進(jìn)入電極活性材料的孔隙受到的阻力可能引發(fā)這種 現(xiàn)象。充電速度越小可用于吸附離子的孔隙體積越大。較小的充電電流可 提高層疊體/單元電容。因而有利的電流分布可能是開(kāi)始時(shí)為大電流而周期 結(jié)束時(shí)為較小的電流。任選地，控制器(未示出)可在初始或第一工作模式過(guò) 程中為多個(gè)電極提供相對(duì)較大的電流并在后續(xù)或第二工作模式過(guò)程中為多 個(gè)電極提供相對(duì)較小的電流。
在 一 實(shí)施方案中，將電極活性材料涂布在集電柵網(wǎng)(current collector mesh)同一表面的兩個(gè)部分上以形成單面電極。該單面電極可在位于兩個(gè)涂 布部分之間的無(wú)活性材料區(qū)處折疊并折于防離子層之上，從而使防離子層 與單面電極的所述兩個(gè)部分形成夾層結(jié)構(gòu)。防離子層例如可以是聚酯等， 可商購(gòu)自例如3M， Inc.等供應(yīng)商。因而，雙才及電極可具有兩個(gè)不同的面向外 的活性表面，防離子層(可能為防水層)插于所述兩個(gè)活性表面之間。隔離體 或流體通道導(dǎo)引體插于雙極電極和另一電極之間，以使各電極可與通過(guò)裝 置的液流連通。在一實(shí)施方案中，交替的電極對(duì)串聯(lián)電連接，由電極對(duì)的 電極間間隔、空隙或通道限定的液流路徑并聯(lián)連接。
盡管結(jié)合一些實(shí)施方案對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳述，但本發(fā)明不限于所披露 的實(shí)施方案。在不脫離本發(fā)明范圍的情況下，可對(duì)本發(fā)明進(jìn)行改進(jìn)以引入任意數(shù)量本文未描述的變型、變化、替換物、衍生物或等同布置。另外， 盡管描述了本發(fā)明的一些實(shí)施方案，但應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明的方面可僅 包括所述實(shí)施方案中的一部分。因而，本發(fā)明不應(yīng)解釋為受限于前述說(shuō)明， 而僅受限于所附權(quán)利要求的范圍。
權(quán)利要求
1.一種電極組件，包括經(jīng)配置吸附帶相反電荷的離子的可充電電極，其中該電極包括多孔材料；及與所述可充電電極的多孔材料接觸的離子交換材料，其中該離子交換材料與所述可充電電極帶有相同的電荷，及其中該離子交換材料可滲透帶相反電荷的離子且至少部分地不可滲透帶相同電荷的離子。
2. 權(quán)利要求1的電極組件，其中所述離子交換材料包括設(shè)置在所述可 充電電極表面上的層。
3. 權(quán)利要求2的電極組件，其中所述層的厚度為0.0001 mm至1 mm。
4. 權(quán)利要求2的電極組件，其中所述層的電阻為0.1Qxm2至50Q'cm2。
5. 權(quán)利要求2的電極組件，其中所述層包含粘結(jié)劑和樹(shù)脂。
6. 權(quán)利要求5的電極組件，其中所述樹(shù)脂包括Amberlite IR-120, Dowex 50， Diaion SK-IA, Amberlite IRA-400, Diaion SA-10A,或者其中兩種或更 多種的組合。 —
7. 權(quán)利要求5的電極組件，其中所述粘結(jié)劑包括聚四氟乙烯，聚偏二 氟乙烯，或者它們的任意衍生物。
8. 權(quán)利要求l的電極組件，其中所述離子交換材料包括粘結(jié)劑。
9. 權(quán)利要求8的電極組件，其中所述粘結(jié)劑至少部分地設(shè)置在所述可 充電電才及內(nèi)。
10. 權(quán)利要求1的電極組件，其中所述離子交換材料的量占電極材料總 重的1重量％至70重量％。
11. 權(quán)利要求1的電極組件，其中所述離子交換材料包含粒徑為0.1微 米至IO微米的顆粒。
12. 權(quán)利要求l的電極組件，其中所述組件用于超電容式脫鹽裝置。
13. 權(quán)利要求1的電極組件，其中所述裝置的電流效率為40%至99%。
14. 權(quán)利要求1的電極組件，其中在所述裝置工作過(guò)程中沒(méi)有電壓施加 在所述離子交換材料上。
15. 權(quán)利要求1的電極組件，其中所述可充電電極為負(fù)極并且其中所述 離子交換材料為陽(yáng)離子交換材料，該陽(yáng)離子交換材料經(jīng)配置至少部分地阻止陰離子從電極的孔隙體積中脫出，并且其中該陽(yáng)離子交換材料經(jīng)配置允 許陽(yáng)離子通過(guò)所述離子交換材料。
16. 權(quán)利要求15的電極組件，其中所述陽(yáng)離子交換材料包括陰離子型 單體的聚合產(chǎn)物。
17. 權(quán)利要求16的電極組件，其中所述陰離子型單體包括下述陰離子 化合物磺酸鹽，磷酸鹽，羧酸鹽，硼酸鹽，或者其中兩種或更多種的組合。
18. 權(quán)利要求15的電極組件，其中所述陽(yáng)離子交換材料包括非離子型 單體的聚合產(chǎn)物的磺酸鹽，磷酸鹽，羧酸鹽，硼酸鹽，或者其中兩種或更 多種的組合。
19. 權(quán)利要求18的電極組件，其中所述非離子型單體包括下述單體 苯乙烯，丙烯酸酯，曱基丙烯酸酯，丙烯酰胺，乙烯基吡。定，乙烯基吡咯 烷酮，環(huán)氧化物，硅氧烷，氨基曱酸酯，或者其中兩種或更多種的組合。
20. 權(quán)利要求1的電極組件，其中所述可充電電極為正極并且其中所述 離子交換材料為陰離子交換材料，該陰離子交換材料經(jīng)配置至少部分地阻 止陽(yáng)離子從電極的孔隙體積中脫出，并且其中該陰離子交換材料經(jīng)配置允 許陰離子通過(guò)所述離子交換材料。
21. 權(quán)利要求20的電極組件，其中所述陰離子交換材料包括陽(yáng)離子聚 合物。
22. 權(quán)利要求21的電極組件，其中所述陽(yáng)離子聚合物包括伯胺鹽、 仲胺鹽、叔胺鹽或季銨鹽，咪唑銪，胍錯(cuò)，吡啶鎮(zhèn)，或者其中兩種或更多種 的組合。
23. 權(quán)利要求20的電極組件，其中所述陰離子交換材料包括具有叔胺 基團(tuán)的材料的季銨化反應(yīng)產(chǎn)物。
24. 權(quán)利要求20的電極組件，其中所述陰離子交換材料包括聚曱基丙 烯酸二曱基氨基乙酯。
25. 權(quán)利要求20的電極組件，其中所述陰離子交換材料包括導(dǎo)電聚合 物材料。
26. 權(quán)利要求25的電極組件，其中所述導(dǎo)電聚合物材料包括聚笨胺， 聚吡咯，聚嗜吩，或者其中兩種或更多種的組合。
27. —種超電容式脫鹽裝置，包括一對(duì)電荷相反的電極，其中所述電荷相反的電極中的至少一個(gè)包括可 選擇性滲透帶電離子的離子交換材料。
28. 權(quán)利要求27的超電容式脫鹽裝置，其中該超電容式脫鹽裝置包括 布置成層疊結(jié)構(gòu)的兩對(duì)或更多對(duì)電荷相反的電極。
29. 權(quán)利要求27的超電容式脫鹽裝置，還包括絕緣隔離體，該絕緣隔 離體設(shè)置在所述電荷相反的電極之間，并且配置成使一個(gè)電極與另一個(gè)電 極電絕緣。
30. —種制造電極組件的方法，包括形成電極材料和離子交換材料的混合物； 將所述混合物分散在溶劑中，以形成漿料；及 模塑該漿料，以形成電極組件。
31. 權(quán)利要求30的方法，其中所述電極材料包括碳，活性炭，石墨， 多孔炭末顆粒，炭黑氣凝膠，碳納米管，碳布，碳纖維，或者其中兩種或 更多種的組合。
32. —種制造電極組件的方法，包括 形成離子交換材料和粘結(jié)劑的混合物；及 將所述混合物涂布于多孔電極表面，以形成涂層。
33. 權(quán)利要求32的方法，還包括使所述混合物交聯(lián)。
34. —種制造電極組件的方法，包括 形成可聚合的材料；及將所述可聚合材料涂布于多孔電極表面，以形成聚合物涂層。
35. 權(quán)利要求34的方法，其中所述可聚合的材料包括離子或非離子 型單體，離子或非離子型低聚物，部分聚合的離子或非離子型聚合物，完 全聚合的離子或非離子型聚合物，或者其中兩種或更多種的組合。
36. 權(quán)利要求34的方法，其中所述可聚合的材料還包括引發(fā)劑或引發(fā) 方式。
37. 權(quán)利要求34的方法，還包括使所述混合物交聯(lián)。
38. 權(quán)利要求34的方法，還包括聚合反應(yīng)之后的季銨化處理。
39. 權(quán)利要求34的方法，還包括聚合反應(yīng)之后的磺化處理。
40. 權(quán)利要求34的方法，其中所述聚合物涂層部分地滲入多孔電極以 形成復(fù)合電41。
41. 一種系統(tǒng)，包4舌多個(gè)電極對(duì)，各電極對(duì)中的電極被能流過(guò)流體的空隙或通道隔開(kāi)，并 且交替的電極對(duì)串聯(lián)電連接，且空隙或通道與另 一空隙或通道流體并聯(lián)連 接。
42. 權(quán)利要求41的系統(tǒng)，還包括控制器，該控制器在初始或者第一工 作模式中可操作地提供相對(duì)較大的電流給所述多個(gè)電極，并且在后續(xù)或者 第二工作模式中提供相對(duì)較小的電流給所述多個(gè)電極。
43. 權(quán)利要求41的系統(tǒng)，其中所述至少一個(gè)電極對(duì)為雙極電極。
全文摘要
提供一種電極組件。該組件包括經(jīng)配置吸附帶相反電荷的離子的可充電電極，其中該電極包括多孔材料。該組件還包括與可充電電極的多孔材料接觸的離子交換材料，其中該離子交換材料與可充電電極帶有相同的電荷，及其中該離子交換材料可滲透帶相反電荷的離子且至少部分地不可滲透帶相同電荷的離子。
文檔編號(hào)C02F1/469GK101563296SQ200780045835
公開(kāi)日2009年10月21日 申請(qǐng)日期2007年10月24日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月19日
發(fā)明者昶 衛(wèi), 雷 曹, 宇 杜, 熊日華, 巍 蔡, 鄧志剛, 肅 魯 申請(qǐng)人:通用電氣公司