脱盐装置电极活化的制作方法

[0001]
本公开涉及脱盐装置电极活化策略并涉及方法。


背景技术：

[0002]
对优质饮用水的需求日益增长。但是，陆地上的淡水源有限，一些淡水正枯竭，其它来源的水质也因大量的工业和农业过程以及城市扩张而受到损害。因此，正在开发从丰富的水源——海洋水中获取淡水的技术。但是海水或咸水(saline water)含有高浓度的溶解盐，这使得这些水不适合人类消费、农业用途或工业过程。因此，在咸水可以用作饮用水之前，其需要进一步脱盐以降低其溶解固体的浓度。
[0003]
水脱盐的努力追溯数千年。例如，最初记录的尝试包括海上水手进行的盐水蒸发。20世纪中叶开发了第一个大规模的现代脱盐工艺，即多级闪蒸。从那时起，已经提出并试验了各种脱盐工艺。然而，与这些工艺相关的常见问题包括高能需求、环境考量、与膜腐蚀有关的材料问题等，这阻止了脱盐的更广泛使用。
[0004]
根据一个实施方案，公开了脱盐电池组。所述脱盐电池组包括第一隔室中的工作嵌入电极、第二隔室中的对嵌入电极(这两个隔室均包含具有升高的溶解盐浓度的咸水溶液)、布置在所述隔室之间的离子交换膜、和牺牲化合物，所述牺牲化合物配置为在工作电极活化时在预定电压下中和第一隔室内的电荷且同时通过氧化或还原反应被消耗。所述牺牲化合物可以包含一种或多种水溶性氧化还原分子。所述牺牲化合物可以包含一种或多种固体氧化还原分子，所述固体氧化还原分子配置为所述工作电极体的一部分。所述脱盐电池组还包括至少一个构造成释放活化反应产物的排放口。所述脱盐电池组还包括配置为将牺牲化合物带到第一隔室的一个或多个阀。在活化之前，所述电极之一可以包含碱金属，以使得在活化之前所述含碱金属的电极在小于约50%的荷电状态下保持离子。所述牺牲化合物可以是水，且所述预定电压可以为低于约0v。所述牺牲化合物可以具有比在部分或完全嵌入状态下的工作电极电势高的还原电势。所述脱盐电池组还包括在所述工作电极、所述对电极或两者上的反应产物形成的保护层，以在电池组运行过程中稳定所述电极。
[0005]
在一个替代实施方案中，公开了活化脱盐电池组工作电极的方法。所述方法包括提供脱盐电池组，该脱盐电池组包括工作嵌入电极和对嵌入电极，每个电极布置在包含具有升高的溶解盐浓度的咸水溶液的单独隔室中。所述电池组还包括布置在所述隔室之间的离子交换膜。在所述电池组运行之前，所述方法包括向工作电极提供预定电压，以(a)将离子从电极脱嵌到隔室中，以使得所述电极的离子穿梭容量增加，或者(b)将离子从隔室嵌入到电极中，以减小电极的离子穿梭容量。所述方法包括还原或氧化牺牲化合物，以中和所述隔室之一中的电荷。所述牺牲化合物可以包含一种或多种固体氧化还原分子，所述固体氧化还原分子配置为所述工作电极体的一部分。所述方法还可包括经由至少一个排放口释放一种或多种活化反应产物。所述方法还可包括经由至少一个阀将所述牺牲化合物输送到所述隔室。所述方法可包括将离子穿梭容量从约50%或更小的活化前容量提高到约100%。所述方法可进一步包括通过向所述隔室的至少一个中加入ph调节介质来调节所述隔室中的ph。
所述脱盐电池组还可包括在所述工作电极和/或对电极上形成保护层，以稳定用于电池组运行的所述电极。
[0006]
在又一实施方案中，公开了具有电极的电池组的脱盐电池组活化的方法。所述电池组包括通过再平衡所述电极的离子穿梭容量而获得约100%/0%的荷电状态平衡的电极配置，其中每个电极布置在包含咸水溶液的单独隔室中，这通过向所述电极施加预定电压以将离子从所述电极的一个或多个释放到溶液或将离子从溶液吸引到所述电极的一个或多个、并提供至少一种牺牲化合物以被还原或被氧化且同时中和由施加电压产生的电荷来实现。所述牺牲化合物可以包含一种或多种固体、可溶或溶解的氧化还原分子。所述方法还可包括经由至少一个排放口释放活化反应产物，和经由至少一个阀将所述至少一种牺牲化合物输送到所述隔室，或两者。所述至少一种牺牲化合物可以具有比在部分或完全嵌入状态下的工作电极电势高的还原电势。
附图说明
[0007]
图1描绘了根据一个或多个实施方案的非限制性实例脱盐电池组电池的示意图；图2示意性地描绘了在各种穿梭容量下的电极平衡曲线图；图3-6示意性地描绘了使用一种或多种牺牲化合物a的电极活化原理。
具体实施方式
[0008]
下文描述本公开的实施方案。然而，应当理解，所公开的实施方案仅是实例，并且其它实施方案可以采取各种和替代的形式。附图不必是按比例的；一些特征可能被夸大或最小化，以示出特定组件的细节。因此，本文公开的具体结构和功能细节不应解释为限制性的，而仅仅是作为教导本领域技术人员以各种方式使用本发明实施方案的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解的，参考任何一个附图示出和描述的各种特征可以与一个或多个其它附图中示出的特征组合，以产生未明确示出或描述的实施方案。所示特征的组合提供了用于典型应用的代表性实施方案。然而，与本公开的教导一致的特征的各种组合和修改对于特定应用或实施而言可能是所希望的。
[0009]
除了明确指出之处，本说明书中所有表示尺寸或材料性能的所有数值量都应理解为在描述本公开的最宽范围时由词语“约”修饰。
[0010]
首字母缩略词或其它缩写的第一次定义适用于本文中相同缩写的所有后续使用，并且加以必要的修正适用于最初定义的缩写的正常语法变化。除非明确地相反说明，否则性能的测量是通过与先前或稍后针对相同性能所引用的相同技术来测定的。
[0011]
术语“基本上”或“约”在本文中可用于描述所公开或要求保护的实施方案。术语“基本上”或“约”可以修饰在本公开中所公开或要求保护的值或相对特性。在这种情况下，“基本上”或“约”可表示其修饰的值或相对特性在所述值或相对特性的
±
0％、0.1％、0.5％、1％、2％、3％、4％、5％或10％之内。
[0012]
与一个或多个实施方案相关的适用于给定目的一组或一类材料的描述意味着该组或该类的任何两个或更多个成员的混合物是合适的。化学术语中的成分描述是指在加入到说明书中列举的任何组合中时的成分，并且不必排除一旦混合后混合物的成分之间的化学相互作用。首字母缩略词或其它缩写的第一次定义适用于本文中相同缩写的所有后续使
用，并且加以必要的修正适用于最初定义的缩写的正常语法变化。除非明确地相反说明，否则性能的测量是通过与先前或稍后针对相同性能所引用的相同技术来测定的。
[0013]
地球上不断增长的人口对用于消费、农业和工业目的的清洁淡水的需求与日俱增。淡水是指具有低的盐浓度(通常小于1％)的水溶液。由于淡水源受限，已经进行了许多尝试来通过脱盐由丰富的海洋水生产淡水。脱盐是从咸水中脱除矿物质组分的过程。从咸水中脱除盐和其它化学物质需要电能或热能以将咸水分成两个物流，含有低浓度溶解盐的淡水物流和具有高浓度溶解盐的浓盐水第二物流。
[0014]
已经开发了各种脱盐技术，例如蒸发、冷冻、蒸馏、反渗透、离子交换、电渗析等。然而，所有这些技术都有某些缺点，所述缺点妨碍了它们的广泛使用并限制了其成功。例如，反渗透通常需要大量的电能输入，这使得该技术相当昂贵。另外，反渗透利用选择性膜，该膜易于结垢或矿物质沉积物在膜表面上的不希望的积累。因此，所述膜需要频繁更换，这导致维护需求和成本增加。
[0015]
电渗析是使用离子交换膜的另一种膜脱盐技术。电渗析可能是昂贵的，并且对微细菌污染没有屏障作用。然而，无膜技术存在其它挑战。例如，冻融通常依赖于自然零下温度的延长时段，因此仅限于某些气候条件。多效蒸馏利用几个阶段或效果，在此过程中进料水被管中的蒸汽加热，其中咸水喷射到该管上。然而，除非废热可用于脱盐工艺，否则该技术存在高的运行成本，并且高温可增加腐蚀和结垢。
[0016]
新开发的概念之一是用于脱盐的电化学方法，如脱盐电池组或电化学装置。脱盐电池组使用电能输入从咸水中提取钠离子和氯离子以及其它杂质离子，以产生淡水。所述电池组由此呈现双离子电化学去离子技术，包括钠和氯化物双离子电化学电极，对其施加电压以将咸水分离成具有相对低浓度溶解盐的淡水和浓盐水物流。
[0017]
希望提供利用脱盐电池组的水处理系统。利用脱盐电池组的水处理系统的非限制性实例可包括用于保持液体溶液如咸水或脱盐水的容器、两个电极、电源、咸水入口和淡水出口。可以考虑附加组件如附加入口、出口等。所述两个电极可以通过交换膜分开。所述交换膜可以是阳离子或阴离子交换膜。所述交换膜可包括在任一侧或两侧的隔板。
[0018]
所述容器可以是任何形状、尺寸或构造的容器、隔室、罩壳、器皿、罐、小罐、槽等，其能够获得、保留、保持和/或释放液体溶液如咸水、半咸水、海水、洋水、淡水、甜水、饮用水、脱盐水、污染水、工业用水等。所述容器足够宽敞以容纳足够量的正在进行脱盐的水溶液；因此，尺寸根据特定的应用而不同。所述容器可以足够大以服务于工业应用。所述容器可以由能够承受腐蚀、温度波动、ph变化、压力变化并且抵抗其它化学、机械和/或物理条件的不同材料制成。
[0019]
所述容器可以由玻璃、塑料、复合材料、金属、陶瓷或材料的组合制成。所述容器可以以一个或多个保护涂层为特征。所述容器可以由使水污染发生最小化的材料制成。所述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。
[0020]
所述电极布置在电池组内以与所述容器中存在的水流体连通。所述电极至少部分浸在水溶液中。所述电极可以完全浸在水溶液中。所述电极可以放置在容器的相对侧上、在容器内居中放置、或者两者可以位于容器的同侧。所述电极可以彼此相邻放置，或者在存在(一个或多个)隔板和交换膜(阴离子交换膜或阳离子交换膜)的情况下隔开一定距离。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，这取决于电池组模
块和堆系统、容器以及电极的尺寸。
[0021]
所述电池组的电极用作嵌入主体。嵌入是指一种或多种离子可逆地包含入具有层状结构的材料中。层之间的空间可以用于一种或多种类型离子的临时存储。所述第一和第二嵌入主体可逆地存储和释放来自具有第一溶解盐浓度c1的咸水溶液的阳离子和阴离子，以在容器内产生具有第二溶解盐浓度c2的淡水或脱盐水溶液和具有第三溶解盐浓度c3的盐水溶液，其中c3>c1>c2。通常，c1可以为约500至10000、800至7000或1000至5000 ppm的溶解盐，这取决于咸水来源，c1与咸水中升高的溶解盐浓度相关。所述电池组可将溶解盐的量降低至约15至250、30至150或50至100 ppm的c2。
[0022]
取决于运行条件和装置设计，所述电极可以由相同或不同的材料制成。所述第一、第二或两个电极均可以由膨胀石墨制成。石墨是碳的结晶同素异形体且是半金属的实例。石墨在标准条件下表现出碳的最稳定形式。石墨是具有高度各向异性的声热性能的电导体，且是自润滑性的。石墨具有层状的平面结构。石墨的各个层被称为石墨烯。在每层中，碳原子被配置成具有0.142 nm的自然间隔的蜂窝状晶格。原始石墨的层间距为0.335或0.34 nm。平面中的各原子共价键合，但石墨烯层之间的键合由弱范德华键提供。
[0023]
由于其独特的性能和结构，石墨已被用作锂离子电池组中的阳极电极材料。然而，这些应用通常涉及原始石墨。众所周知，石墨烯层之间在z方向上的层间距为0.34 nm的原始石墨不适用于不同类型的电池组，即na离子电池组(nib)，因为原始石墨具有低的na
+
离子容量。由于na
+
离子的尺寸相对大和空间效应，与周期表同一列中存在的其它元素，即其它碱金属相比，na
+
与原始石墨的化学键合通常较弱。例如，na
+
离子具有比li
+
更大的半径，这可能阻碍电化学过程中na
+
离子的质量传递。
[0024]
因此，所述电极可以包含具有足以容纳na
+
离子的层间距的膨胀石墨。所述膨胀石墨可以通过改变和/或膨大原始石墨烯层的层间距来形成。不同的膨胀方法可导致为特定应用定制的层间距。当石墨烯层膨胀使得膨胀石墨层间距大于0.34 nm，特别是至0.43 nm或更大时，na
+
离子和/或其它离子可以可逆地嵌入膨胀石墨中和从中提取出来，从而在10ma/g的电流密度下输送>~280mah/g的相对高的可逆容量。通过使用膨胀石墨代替原始石墨，钠离子存储容量可因此提高到至少约20至30倍。
[0025]
可以定制石墨烯层的层间距以为各种阴离子、阳离子或两者提供足够的存储容量。石墨烯层之间的层间距可以是明显均匀或基本均匀的。如果通过合成条件良好地控制，则沿石墨烯层的整个长度的层间距可以是均匀的。
[0026]
在本文公开的膨胀石墨中，石墨烯层之间在z方向上的层间距d
s 可以大于约0.34 nm、0.35 nm、0.36 nm、0.37 nm、0.38 nm、0.39 nm、0.40 nm、0.41 nm、0.42 nm、0.43 nm、0.44 nm、0.45 nm、0.46 nm、0.47 nm、0.48 nm、0.49 nm、0.50 nm、0.51 nm、0.52 nm、0.53 nm、0.54 nm、0.55 nm、0.56 nm、0.57 nm、0.58 nm、0.60 nm、0.61 nm、0.62 nm、0.63 nm、0.64 nm、0.65 nm、0.66 nm、0.67 nm、0.68 nm、0.69 nm、0.70 nm或更大。膨胀石墨的层间距d
s
可以为约0.37至0.45nm，约0.45nm至0.6nm。膨胀石墨的层间距d
s
可以为约0.37至约0.7nm，约0.43至约0.6nm，或约0.45至约0.55nm。石墨烯片中的不同氧官能团可有助于控制层间距d
s
。所述氧官能团可以包括基团如-oh、= o、-o-、-cooh等，或其组合。所述基团可通过可精确控制层间距d
s
的基于溶液的方法和/或热处理来制备。
[0027]
由于膨大的层间距，膨胀石墨可从咸水、海水、半咸水等中吸收阳离子和阴离子。
膨胀石墨可以吸收阳离子，其包括但不限于na
+
、mg
2+
、al
3+
、si
4+
、k
+
、ca
+
、sc
3+
、ti
2+/3+/4+
、v
2+/3+/4+/5+
、cr
3+/6+
、mn
2+/3+/4+
、fe
2+/3+
、ni
2+/3+/4+
、cu
2+
、zn
2+
、sn
2+/4+
、pb
4+
等，以及阴离子，其包括但不限于单阴离子物类如f-、cl-、br-、i-、s-/2-，阴离子配合物如clo
4-、clo
3-、clo
2-、bro
4-、bro
3-、so
42-、sio
32-、cn-，含金属的阴离子如mx
y
o
zn
- (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≤5；0≤z≤5；1≤n≤4)等。
[0028]
膨胀石墨的膨大的层间距甚至允许具有相对大半径的离子如na
+
被吸引到由石墨烯层限定的空间内，暂时保留在其中，并稍后释放。所述膨胀石墨由此容纳一种或多种离子作为客体。例如，所述嵌入材料可以包括以下活性材料中的一种或多种：a
x
cufe(cn)6，其中a=li、na、k、cs且0≤x≤1，a
x
mnfe(cn)6，其中a=li、na、k、cs且0≤x≤1，a
x
mnmn(cn)6，其中a=li、na、k、cs且0≤x≤1，a
x
znfe(cn)6，其中a=li、na、k、cs 且0≤x≤1，a
x
bafe(cn)6，其中a=li、na、k、cs且0≤x≤1，ti
x
fe
1-x
[fe(cn)6]
0.96
，其中0≤x≤1，聚酰亚胺(pndie)、fepo4、namnfe2(po4)3钠磷锰矿、na3fe3(po4)4、na(m)po4，其中m=fe、mn，或fe
x
mn
1-x 且0≤x≤1，mno2、na
x
mno2，其中0≤x≤1，znmn2o4、mgfesio4/c、mg
x
mn
2-x
sio4，其中0≤x≤2，mg
0.5
ti2(po4)3、liti2(po4)3、ti
x
al
2-x
(po4)3，其中0≤x≤2，tip2o7、na3mnti(po4)3、k2ti4o9、tis2、fes2、camo3，其中m=mn和/或fe，对苯二甲酸钾、2,5-吡啶二羧酸钾(k2pc)、kfef3、k
0.3
mno2、kmg
x
fe
2-x
(po4)2，其中0≤x≤2，a
x
fefe(cn)6，其中a=li、na、k、cs且0≤x≤1，a
x
nife(cn)6，其中a=li、na、k、cs且0≤x≤1，nati2(po4)3、na2fep2o7、tio2、na2ti3o7。
[0029]
所述阳离子嵌入活性材料可以是掺杂或未掺杂的立方尖晶石mno2、na4mn9o
18
(或等效地为na
0.44
mno2)、隧道结构的斜方晶材料、nam2(po4)3(其中m = ti、mn、fe、ni、cu或其组合)，其中na的确切组成可以通过将不同起始量的na2co3或naoh与金属氧化物前体充分混合并然后在高温(约800℃)下热处理来控制。允许用li、mg、ca和/或k部分取代这些结构中的na。
[0030]
另外，用作电极的阳离子嵌入材料可以包括但不限于na
0.44
mn2o4、namno2、k
0.27
mno2、na
2/3
ni
1/4
mn
3/4
o2、γ-mno2、na3v2(po4)3、na2vti(po4)3、navpo4f、na2v6o
10
·
xh2o、na
0.66
[mn
0.66
ti
0.34
]o2、moo3、na2fep2o7、na3timn(po4)3、na3v2o2(po4)2f等，或其组合。所述阳离子嵌入主体材料可以包括普鲁士蓝和/或普鲁士蓝类似物——基于六氰合铁酸盐(hcf)或六氰合锰酸盐(hcm)的化合物如nihcf、nicuhcf和mnhcm。
[0031]
另一方面，所述嵌入材料可以特定用于阴离子。所述阴离子嵌入活性材料可以包括agcl、fecl3、c3n4、feocl、biocl、vocl、mg(clo2)2·
6h2o、mgcl2o、naclo2·
3h2o、以下三元和四元金属氧化物和金属氯氧化物中的至少一种：alh
12
(clo2)3、mnh8(clo2)2、feh8(clo2)2和nih8(clo2)2，以下基于碱金属和基于过渡金属的氯氧化物及其水合物中的至少一种：ca4cl6o、cahclo、nah4clo2、alclo、si3(cl4o)2、sicl2o、si6cl
10
o7、sicl2o、si2cl2o3、ti(clo4)4、ticlo、mn8cl3o
10
、mnh4(clo)2、feclo、ni(clo4)2、nih
16
(clo8)2、nih
12
(clo3)2、cu2cl2o和cuh8(clo5)2等，或其组合。
[0032]
所述能够嵌入的活性材料在阴极、阳极或两者中的实例负载量可以为约0.01至100mg/cm2，0.05至50mg/cm2，或0.1至10mg/cm2。
[0033]
除了活性材料之外，所述电极之一或两者均可包含一种或多种导电剂、一种或多种聚合物粘合剂和/或其它组分。所述(一个或多个)电极可包含活性材料，其量为约70至99
重量％、75至97重量％、或60至95重量％，基于所述电极的总重量计。所述(一个或多个)电极可包含一种或多种导电剂，其量为约1至40重量％、2.5至30重量％、或5至20重量％，基于所述电极的总重量计。所述(一个或多个)电极可包含一种或多种聚合物粘合剂，其量为约1至30重量％、2.5至20重量％、或5至15重量％。
[0034]
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)无卤素的阳离子化合物等，或其组合。
[0035]
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、苯乙烯-丁二烯橡胶(sbr)、共聚物和共混物如聚(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-共-聚乙二醇(pedot-co-peg)等，或其组合。
[0036]
另外，所述(一个或多个)电极可以包含一种或多种柱化剂。柱化剂或掺杂剂是指可以通过对活性材料进行化学改性而并入电极结构内的各种化合物。例如，所述柱化剂可以化学和/或机械地结合到所述膨胀石墨的各个石墨烯层上。所述一种或多种柱化剂可并入膨胀石墨内的相邻石墨烯层之间，和/或配置成保持相邻层之间预定的特定层间距距离d
s
。
[0037]
所述柱化剂可以进一步增强电池组中离子吸附和解吸过程的质量传递和/或选择性。例如，并入硫作为柱化剂可导致吸引更大比例的阳离子。或者，用带正电的金属或金属氧化物将电极活性材料改性可导致对阴离子的吸引增加而排斥阳离子。所述柱化剂可以因此有助于调节淡水溶液的化学性质，以获得所需的饮用水化学组成。例如，在其中要脱盐的海水含有不希望的量的阴离子和/或希望的量的阳离子的区域中，可以并入带正电的柱化剂以吸引要嵌入的阴离子，而在水溶液中留下更大量的阳离子。所述淡水溶液因此可以根据当地需要和饮用水规范来定制。
[0038]
对于ph约7-8的中性水，与标准氢电极(she)相比，所述电极可以在水稳定性窗口，约-0.5至1.5 v、
ꢀ-
0.4至1.2 v、-0.3至1.1 v或0至0.9 v(或相对于na/na
+
而言2.2至3.6v)内运行，以存储上述类型离子中的一种或多种。较低的ph值可以使电压向更高偏移(在ph = 0下高达+ 0.4v)，而较高的ph值可以使电压向更低偏移(在ph = 14下低至-0.4v)。
[0039]
电极中离子的实际存储容量可以变化，这取决于运行电压条件、水溶液中存在的离子浓度、水溶液的整体化学组成、水溶液的酸度以及电池组装置内的欧姆电阻或任何其它类型的电阻等。例如，由于世界不同地区的海水具有变化的离子浓度，因此电极中离子的实际容量可基于地点而不同。
[0040]
所述电极的盐吸附容量可以为约1至300、5至150或10至100 mg盐/ g活性电极材料。所述电极面积可以为约10至500、50至350、或100至250 cm2。所述电极厚度可以为约2.5至500、5至400、或10至300μm，这取决于电极材料、孔隙率、迂曲度、含电极材料的浆料的粘度的选择以及(一种或多种)活性材料 : 粘合剂 : 碳的实际组成比。电极的孔隙率可以为约20至80、30至70、或40至60%。所述电极密度可以为0.1至5、0.25至4、或0.5至3g/cm3，这取
决于材料的粒度、微结构、硬度以及所述电极系统中添加的碳的量。
[0041]
用于水清洁的所述电池组的充电时间可为约1至60分钟、5至45分钟、或15至30分钟，这取决于容量。用于电极清洁的放电时间可占充电时间的约50%至100%，即约30秒至60分钟、2.5至45分钟、或7.5至30分钟。取决于包括在所述电池组模块中的电池的数量，充电过程中的典型流量可以为约0.5至5000l/分钟、1至2500l/分钟、或5至2000l/分钟。水的回收率可以大于约50、55、60、65、70、75、80、85、90或95%。确切的水流量可以通过如下所述的泵来控制。
[0042]
所述电极可以通过交换膜隔开。所述交换膜可包括在一侧或两侧的隔板。所述交换膜可以是阳离子或阴离子交换膜。
[0043]
所述交换膜可以是阴离子交换膜(aem)。aem可以包含由富羟基(-oh)的氧官能团构成的石墨烯、氧化石墨烯或两者。氧化石墨烯中的特定官能团如羟基(-oh)、羧基(-cooh)、羰基(= o)、环氧基(-o)或其组合允许阳离子 (即na
+
、k
+
、mg
2+
、ca
2+
、pb
2+
等) 在相对稳定的电压窗口如相对于she而言1.0至1.5 v或0.401至+1.23 v下吸附和解吸。相反，由于阴离子本身与氧化石墨烯的氧官能团(-oh、-cooh、= o和-o-)之间的电子排斥，阴离子吸收电压非常高。除非向系统施加大于3v的非常大的电压，否则阴离子如f-、cl-、br-、i-或s
2-，和阴离子配合物，包括但不限于clo
4-、clo
3-、clo
2-、bro
4-、bro
3-、so
42-、sio
32-或cn-由于aem材料中带负电荷的氧官能团的排斥而自由地移动到膜的另一侧。因此，所述官能化的氧化石墨烯层可以用作仅允许阴离子通过的选择性离子交换膜。
[0044]
所述aem可包含氧化石墨烯与其它电子导电聚合物的混合物，所述聚合物包括聚环氧乙烷(peo)、聚(吡咯)(ppy)、聚苯胺(pani)、聚(噻吩)(pt)、聚(3,4-亚乙基二氧噻吩)(pedot)、聚对苯硫醚(pps)、聚乙炔(pac)和聚(对亚苯基亚乙烯基)(ppv)等，或其组合。此外，所述aem可以由氧化石墨烯与其它聚合物的混合物构成，所述其它聚合物不是电子导电的而是离子导电的，包括交联的聚乙烯醇(pva)、交联的聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、聚亚苯基亚乙烯基(ppv)等，或其组合。可根据需要添加另外的电子导电材料，如石墨、硬碳、软碳、炭黑等，或其组合。
[0045]
所述电池组或电容性去离子装置进一步含有能够向所述电极和/或交换膜供应电流的电源、电流源或电压源。施加电流以从所述容器中含有的水中脱除各种离子。施加的电压v和膜电压vm可以用于控制选择性离子渗透率并影响水脱盐方法的总效率。所述电流可以是恒定电流，直到达到预定的电压截止，或者可以向电池组施加正电压。通过施加受控的膜电压vm可以增强通过所述交换膜的阳离子截留和阴离子扩散率。膜电压可以为0至
±ꢀ
0.5 v。
[0046]
图1中描绘了用于水处理装置中的非限制性实例电池组电池100。所述电池组100包括两个电极102和104以及放置在所述电极102和104之间的阴离子交换膜106。所述阴离子交换膜(aem) 106将两个独立的水隔室108、110分开。所述电极102、104连接到电压源112。所述电池组电池100还包括一个或多个水入口114和水出口116。
[0047]
所述入口114和出口116可用于引入或释放咸水或脱盐水。每个隔室108、110的入口114和出口116的数量可以相同或不同。例如，第一隔室108可以比第二隔室110多有一个入口。一个或多个入口114可位于aem 106和嵌入主体102、104之间。入口114、出口114或两者可以居中位于aem 106和主体电极102、104之间。入口114可以位于出口116的正对面。或
者，同一隔室108或110的入口114和出口116可以错开，以使得入口114和出口116不对准，不位于同一轴线上，不居中位于aem 106与电极之间，或其组合。所述至少一个入口114、出口116或两者可具有相同或不同的直径。入口114、出口116或两者可将电池组100与贮器222、贮器223、附加的贮器或其组合连接。
[0048]
此外，本文所公开的电池组电池100和附加电池组电池可连接到一个或多个用于存储咸水或脱盐水的水贮器122、一个或多个能够控制进出电池组100的水流量的泵124、连接到一个或多个泵124的阀126和/或一个或多个能够检查、测定或监控水质的装置128，如ph计、软水器等。所述贮器122可以是能够获得、保留、保持和/或释放液体溶液的任何形状、尺寸或构造的容器、隔室、罩壳、器皿、罐、小罐、槽等，所述液体溶液如咸水、半咸水、海水、洋水、淡水、甜水、饮用水、污染水、工业用水等。所述泵124可以是自动的、手动的或两者皆可。所述泵124可位于入口、出口管、连接到水贮器122的物流或其组合中。
[0049]
或者或此外，可进行后处理步骤，以根据特定应用的要求进一步中和/或调节所述水。
[0050]
所述电池组电池100可以包括包含相同或相似化学性质和负载的电极材料的两个对称电极102、104。或者，所述电池组100可以以不对称电极配置为特征，以使得第一电极104至少部分或完全由不同于第二电极106的材料制成，所述第一电极104具有不同负载的与所述第二电极106相同或不同的材料，或其组合。所述电极材料可以共享相似的结构特征如相同的空间群，但是离子如na
+
、ca
2+
或mg
+
的浓度可不同。在一个非限制性实例实施方案中，所述电极之一可以由化学脱锂的嵌入主体材料，例如na
x
mno2制成，其中x＜x
最大
，其中碱金属氧化物内的碱金属起始浓度由x表示。非对称电极的非限制性实例可以包括一个包含fefe(cn)6的电极和包含nife(cn)6的第二电极。
[0051]
一旦被活化，所述电池组电池100可以以下方式运行。可以向所述电池组电池100施加正电压v，以从电极102、104之一释放阳离子如na
+
。将所述阳离子与咸水一起分散在水隔室108、110之一中，特别是盐水隔室118，其包含具有第一溶解盐浓度c1的咸水溶液。所述盐水隔室118中的咸水可通过水入口114之一供应。由于阳离子不能穿过阴离子交换膜106，因此盐水隔室118内的na
+
浓度增加。阴离子如cl-被吸引并穿过所述阴离子交换膜106以中和盐水隔室118中的阳离子。同时，由于电荷中性和施加的偏压，阳离子如na
+
离子嵌入到电极102、104的另一侧。该过程在阴离子交换膜106的相反侧上产生了包含具有第二溶解盐浓度c2的淡水或脱盐水溶液的清洁水隔室120，其中c
1 > c2。
[0052]
所述电池组100可以是封闭或开放系统。所述电池组100可以循环运行(嵌入和脱嵌)，其中水连续流动。在连续流动下，来自清洁水隔室120的脱盐水可以存储在贮器122中。或者，所述电池组100可作为间歇脱盐装置运行，其中可将有限量的水供应到隔室以较小规模运行来清洁。或者或此外，可将半连续的水流供应到所述电池组电池100，以使得水隔室108、100可用额外的咸水再填充并可在下一个循环中以相反方向运行。在一个替代实施方案中，所述电池组电池100可设计为圆柱形管状电池。两个隔室108、100都可以用于以相反运行方向上进行水净化。
[0053]
在一个非限制性实例中，可以通过利用清洁水贮器122和用于水净化的循环回路来提供连续循环中的清洁水的连续收集。在启动期间，两个电极102、104处于相似的荷电状态(soc) (例如50%)，然后所述第一电极102放电(向0%)并且所述第二电极104向100% soc
充电。所述过程示意性地描绘在图2中(活化状态3)。在第一循环中，可以从包含嵌入主体材料的电极102、104脱除包括na
+
、k
+
、mg
2+
、ca
2+
和pb
2+
等的第一目标离子。由于阳离子-阴离子吸引(中性)，将阴离子加入到盐水隔室118中。所述清洁水隔室120因此含有可收集的脱盐水。下一个循环允许将离子冲洗出电极102、104，排除废水。所述电极102、104也可用于下一个水净化循环。
[0054]
所述脱盐水可在电池组100中循环一次或多次以进一步净化水，以达到预定的溶解盐浓度c
x
，其中c
x
＞c2。
[0055]
将所述电池组100及其电极102、104活化。所述两个电极102、104在运行之前可以部分或完全地用碱金属填充(x > x
最小
)或者部分或完全不含碱金属(x < x
最大
)。所述活化过程使得电池组100能够有效地利用摇椅概念，以使得电荷载子在两个嵌入电极102、104之间来回穿梭。所述活化可以通过如本文所公开的各种方式来实现。
[0056]
当一个电极完全用碱金属填充或处于100%的容量，而另一个电极完全不含碱金属或处于0%的容量(图2中的活化状态1和2)时，可以实现活化目标。替代的配置可以是两个电极都50%充满碱金属或处于50%的容量，以使得所述电极之间的荷电状态(soc)平衡处于50%/50% (图2中的活化状态3)。虽然0%/100%平衡配置可能更实用且更易于控制，但也可考虑其它配置。
[0057]
图2示出了工作电极soc与对电极soc之间的电极平衡的曲线图。如可以看到的，图2示出了在没有容量损失的循环过程中用于离子嵌入和脱除的理想平衡路径。图2显示了在活化之前(起始点1和2，点)、在活化之后(星)和在老化状况下(短划线表示不可逆状况，点线表示可逆状况)的电极平衡。
[0058]
所述活化过程不应对电极、电池组或其任何组件造成任何机械、热或化学损害。例如，所述活化过程应避免以任何方式对电池组有害的过程，如当使用碳电极时的碳氧化。
[0059]
碱金属的浓度可以化学控制，如由合成或预浸出工艺控制，或者电化学控制，如通过离子的嵌入或脱嵌，或者两者。所述活化过程因此可通过本文公开的一种或多种方式或策略或它们的组合来实现。因此，本文公开了以下活化策略：(1)加入/利用至少一种或多种氧化还原牺牲化合物，提供以下活化策略：(a) 水氧化/还原，(b)向水物流中加入至少一种或一种或多种可溶氧化还原分子，当施加一定电压时，所述可溶氧化还原分子被牺牲性地氧化/还原，以避免水氧化还原和电极腐蚀，(c)向水物流中加入至少一种或一种或多种可溶氧化还原分子，当与嵌入或脱嵌的(一个或多个)电极接触时，所述可溶氧化还原分子经历氧化/还原，(d)向电极中加入至少一种或一种或多种固体氧化还原分子，当施加一定电压时，所述固体氧化还原分子被牺牲性地氧化/还原，或(e)加入至少一种或一种或多种氧化还原分子/固体化合物，其通过它们的固体、液体或气体分解产物而与所述嵌入电极形成希望的界面。(a)可以不需要加入牺牲化合物，因为水可以用作牺牲化合物。
[0060]
此外，所述活化策略可以包括(2)经由一组阀控制活化过程以引入所述一种或多种牺牲化合物和/或冲洗出反应产物的运行策略，(3)提供至少一个释放由氧化/还原过程产生的气体的排放口，(4)在活化步骤过程中调节、维持和控制ph以促进氧化/还原反应，(5)在装置寿命期间容量的再平衡策略，以补偿电极容量的漂移，和/或(6)在将电极包含入本文所述的电池组或电化学水清洁装置中之前，在制造过程中提供化学脱锂的电极。
[0061]
当一个或两个电极部分或完全用碱金属填充时，可以开始脱盐运行。在这种情况
下，所述工作电极具有低于约50%、40%、30%、20%、10%或5%的活化前离子穿梭容量，这意味着主体晶格的小于约50%、40%、30%、20%、10%或5%是开放的以接受嵌入过程中穿梭的离子，或者所述电极在小于约50%、40%、30%、20%、10%或5%的soc下保持离子。基于工作或主体电极的总穿梭容量计，所述活化后穿梭容量可以为约50%至100%，所述活化后穿梭容量可以为约50、60、70、80、90或100%。
[0062]
为了在一个或两个电极(即工作电极独自、或工作电极和对电极)部分或完全用碱金属填充时开始水脱盐运行，通过施加导致从主体结构如namno2中脱除离子的电压或电流，使工作电极脱嵌离子。由于在嵌入过程中主体现在具有更多的开放空间来接受离子，所以脱嵌导致主体电极的穿梭容量增加。
[0063]
为了补偿由于从电极中脱除离子如na
+
而在工作电极隔室中产生的正电荷，可以引入牺牲化合物a。所述牺牲化合物在对电极隔室中被还原。对于通过牺牲还原产生的每一个阴离子，阴离子如cl-离子必须穿过aem并平衡脱嵌的阳离子如na
+
。所述过程示意性地描绘在图3中。
[0064]
图3显示了具有两个对称电极的实例系统，所述电极可以是例如nax : 碳 : 粘合剂复合电极，其中x是电极活性材料。具体实例可以是石墨加上比例为80:10:10的namno
2 : super p : pvdf，其中x为mno2。所述电极的组成可以不同，因为所述电极可含有本文所述的其它材料。
[0065]
可以看出，图3描绘了在装置/系统运行开始时两个嵌入电极都含有离子，即nax (0 < x ≤1)时的示意性活化过程。通过施加导致从主体结构nax如na
x
mno2中脱除离子的电压或电流，使工作电极脱嵌。为了补偿由于从电极中脱除离子如na
+
而在工作电极隔室中产生的正电荷，牺牲化合物a在对电极隔室中被还原。对于通过牺牲还原产生的每个阴离子，cl-必须穿过aem并平衡脱嵌的离子如na
+
。
[0066]
用于牺牲还原的化合物a可以是在相对于she而言约~0 v下经由h2o + e-ꢀ→ꢀ
oh
- +
ꢀ½
h2还原的h2o。当所述牺牲化合物为水时，目标是有目的地使用在水电化学窗口或水窗口之外的电压，其指示物质既不被氧化也不被还原的电压范围。通常在电极中，电压保持在水窗口内，因为在水窗口范围之外时水被电解，这导致旨在用于另一电化学反应的电能的浪费。纯水电化学窗口为0至1.23v。然而，当水用作本文所述的牺牲化合物时，有意地使用在稳定窗口之外的电压，如低于约0v的电压，并导致水的还原和阴离子的产生。
[0067]
代替纯水，所述牺牲化合物可以包括盐或溶液形式的各种可溶物类，其可以被加入到水中。所述可溶物类可以是酸如在～-0.6v下还原的甲磺酸ch4o3s、在～-0.3v下还原成丁醛的丁酸ch3(ch2)2cooh等，或其组合。
[0068]
或者或此外，氧化还原牺牲化合物或用于牺牲还原的化合物a可以是在制造电极时共混入电极浆料中的固体。实例固体物类可以是锂盐或它们的钠化类似物如在～1v下还原的双(草酸合)硼酸锂lib(c2o4)2或在～1v下还原的双(草酸合)硼酸钠nab(c2o4)2。锂和钠可以部分地被其它碱金属和碱土金属包括k、mg、ca等或它们的组合取代。
[0069]
所述牺牲化合物a可以具有比在完全或部分嵌入状态下的电极电势高的还原电势。所述牺牲化合物a在工作电极的电势下容易被还原。为了补偿负电荷a-的产生，将来自工作电极的正离子如na
+
脱嵌，并且电极电势相应地改变。结果，阴离子如cl-离子不必穿过aem，因为如图4中示意性地示出那样保持了电荷中性。
[0070]
用于还原的牺牲化合物a可以是加入到水物流中的一种或多种相对小的氧化还原分子。实例化合物包括在相对于she而言0.15v的平衡电压下经由q + 2h
+ + 2e-→
qh2还原的醌、在～0.1v下还原的甲酸hcooh、在～0.03v下还原的乙酸ch3cooh、在～0.07v下还原的丙酸ch3ch2cooh、在～0.08v下还原成丁醇的丁酸ch3(ch2)2cooh等，或它们的组合。
[0071]
当一个或两个电极(即工作电极独自、或工作电极和对电极)部分或完全不含碱金属时，可以开始脱盐运行。在这种情况下，所述工作或主体电极具有高于约50%的活化前离子穿梭容量，这意味着主体晶格的大于约50%、60%、70%、80%、90%或100%是开放的以接受在嵌入过程中穿梭的离子，或者所述电极在大于约50%、60%、70%、80%、90%或100%的soc下保持离子。基于所述电极的总穿梭容量计，所述活化后穿梭容量可以为约0至50%，所述穿梭容量可以为约5%、10%、20%、30%、40%或50%。
[0072]
为了在两个电极都部分或完全不含碱金属时开始水脱盐运行，通过施加导致离子嵌入主体结构如x : 碳 : 粘合剂复合电极中的电压或电流(其中x是电极活性材料)，使所述工作电极嵌入来自水的离子。x的非限制性实例可以是fefe(cn)6。为了补偿从工作电极隔室中脱除正电荷如na
+
，牺牲化合物a在对电极隔室中被氧化。对于每个嵌入的na
+
，阴离子如cl-必须穿过aem并平衡由牺牲氧化产生的阳离子(a
+
)。所述系统示意性地描绘在图5中。
[0073]
氧化还原牺牲化合物或用于牺牲氧化的化合物a可以是在相对于she而言～1.0v下经由2h2o
→
o
2 + 4h
+ + 4e-氧化的h2o。所述牺牲氧化化合物或者可以是加入水中的各种可溶物类。所述可溶物类可以是有机化合物如具有相对于she而言约0.5v的平衡电压的乙二醇c2h6o2。
[0074]
用于牺牲氧化的氧化还原化合物a可以是在制造电极时共混入电极浆料中的固体。所述固体物类可以是无机或有机锂物类或它们的钠化类似物如平衡电压为约0.3v的叠氮化锂lin3或其等价叠氮化钠nan3、在～1.3v下氧化的碳酸锂li2co3、在～1.3v下氧化的碳酸钠na2co3，氧碳化合物如在～0.7v下氧化的li2c4o4，二羧酸如在～1.2v下氧化的li2c3o5、在～1.3v下氧化的li2c4o6、在～1.6v下氧化的li2c2o4，在～0.1v下氧化的酰肼[cocon(li)]
n
等，或它们的组合。
[0075]
所述牺牲化合物a可以具有比在完全或部分脱嵌状态下的电极电势低的氧化电势。在这样的情况下，所述牺牲化合物a在工作电极的电势下容易被氧化。为了补偿正电荷a
+
的产生，将来自溶液的正离子如na
+
嵌入所述工作电极中，并且电极电势相应地改变。阴离子如cl-离子不必穿过aem，因为如图6中示意性地所描绘那样保持了电荷中性。
[0076]
所述牺牲化合物a可以是加入到水物流中的一种或多种小的氧化还原分子，如在相对于she而言0.15v的平衡电压下经由qh2ꢀ→ꢀ
q + 2h
+ + 2e-氧化的氢醌。牺牲氧化还原分子的其它实例是茂金属(例如二茂铁)、卤素(例如i-/i
3-)和芳族分子(例如四甲基苯二胺)。适用于相对于she而言-0.1至1.5v的平衡电压的上述类别内的具体材料的一些非限制性实例包括平衡电压为0.05至0.38v的二茂铁、平衡电压为0.18至0.5v的正丁基二茂铁、平衡电压为0.13至0.68v的n,n-二甲基氨基甲基二茂铁、平衡电压为0.06至0.34v的1,1-二甲基二茂铁、1,2,4-三唑、平衡电压为0.1v的钠盐(nataz)和平衡电压为约0.1v的方酸锂。
[0077]
所述一种或多种牺牲化合物可以是气体、液体、凝胶或固体。如果所述化合物是气体或液体，则所述化合物可以计量加入水物流中以易于应用。如果所述化合物是固体或凝胶，则所述化合物可以如上所述在制造过程中被包括入电极浆料中或加入到水物流中。所
述牺牲化合物中的至少一些物类可以是可溶的。所述物类中的一些可以是不溶的。
[0078]
用于活化步骤的氧化还原物类可以根据在其牺牲氧化/还原时形成的产物来选择。例如，可以选择一种或多种氧化还原分子以在一个或两个电极上产生保护或钝化层，以在随后的电池组运行过程中保护和/或稳定所述电极。或者，所述氧化还原分子可以形成有利于本文所公开的电池组或电化学水脱盐装置的性能的固体、液体或气体物类。
[0079]
所述系统可以包括一个或多个阀，以将所述气体、液体、凝胶或固体牺牲化合物从水物流引入到电池组，从所述系统中冲洗出反应产物，或两者。所述装置可以包括一个或多个入口阀、一个或多个出口阀或其组合。涉及阀的活化策略可以包括以下步骤：一种或多种可溶牺牲化合物a可以加入到水贮器中，它们从该水贮器经由管道或入口通道被输送到电化学水清洁装置。一旦所述牺牲化合物到达水清洁装置，则可以关闭所述装置的至少一个入口和至少一个出口阀，以使得在所述装置中维持静止状况。换句话说，当所述牺牲化合物存在于所述装置中时，没有水流。
[0080]
所述阀可以是二通阀或三通阀。所述阀可允许水流的暂时停止、反向水流、系统的紧急排放、清洗、水从系统的释放、或其组合。所述阀使得该系统能够暂时变成封闭系统，在该封闭系统中可以发生本文所述的活化过程。所述阀可以是上述阀126。
[0081]
可以选择所述牺牲化合物a的浓度，以使得在静止状况下所述牺牲化合物a在装置体积中的量(一种或多种化合物a在水中的摩尔数)对应于待嵌入电极或从电极脱嵌的离子b的量。如果所述牺牲氧化还原反应以单电子反应进行，并且嵌入的离子是一价的，则a和b的摩尔数相同，n
a = n
b
。通常，所述关系应为z
b n
a = z
a n
b
，其中z
a
和z
b
分别是指所述牺牲化合物a和嵌入的离子b的化合价。
[0082]
所述活化过程可以例如通过阀在封闭系统中进行。或者，所述活化过程可以在非静止模式中进行，其中所述(一种或多种)牺牲化合物a和反应产物不断地被冲洗通过电化学水清洁装置。活化也可以在部分或暂时封闭的系统中进行。本文所述的一些活化策略如再平衡可以在电池组运行之后在封闭或开放系统中进行。
[0083]
所述系统还可包括一个或多个能够释放由氧化/还原过程产生的气体的排放口132。所述排放口132可以是可再密封的。所述阀126、排放口132或两者均可手动操作或通过上述控制器130操作。
[0084]
另外，所述系统可包括一个或多个经由管道或通道与电池组100连接的附加贮器123，并且包括一个或多个在活化步骤过程中供应介质来调节和/或控制系统的ph的阀126。例如，所述介质可以包括与水处理相容的一种或多种酸或一种或多种碱。引入ph调节介质可促进氧化/还原反应，并降低驱动与上述加入的牺牲化合物a有关的反应所需的超电势。所述ph调节介质可以作为单独物流或多个物流引入到所述系统中，以使得每个隔室具有其自己的用于ph调节介质的入口。所述多物流配置允许所述介质仅被引入一个隔室，而第二隔室可保持没有或基本上没有所述介质。或者，可为第二隔室提供具有不同介质和单独通道、阀和/或入口的第二贮器。第二贮器和隔室中的介质可以不同于第一贮器和隔室中的介质。所述第一和第二介质可以在化学组成、浓度、温度、附加的化学或物理性能或其组合方面不同。
[0085]
所述电化学水脱盐系统的运行还可包括再活化或再平衡策略，以在所述装置运行期间平衡容量，从而补偿电极容量的漂移(图2中的老化状况)。通常，一个或两个电极的穿
梭容量可能随时间而降低。如果例如所述电极之一仍然在30%的荷电状态(soc)下保持离子，而另一个完全充满如在100%的soc下，则所述装置不能以全容量工作，因为总电荷的仅70%可以移动。为了解决这种情况，可以驱动如上所述的包括一种或多种牺牲化合物的寄生反应，以从一个电极脱嵌离子，而离子并不嵌入到另一个电极中，反之亦然。所述电极之间的soc平衡可被重置或再平衡到期望值如0%/100%或50%/50%。具体地，再平衡可以通过将一种或多种牺牲化合物a计量加入到水物流中、通过驱动上述各自的副反应、通过在制造过程中将一种或多种牺牲化合物a引入到电极浆料中(只要在初始活化和任何先前的再平衡之后所述一种或多种牺牲化合物a中的至少一些保留在所述电极体中)或其组合来实现。
[0086]
除了包括牺牲化合物和利用氧化/还原反应之外的另外的活化策略可包括在将电极包括入本文所述的电池组电极或电化学水清洁装置中之前在电极制造过程中提供化学脱锂的电极。例如，电极的制造可以包括包含脱锂在内的化学步骤，以使得一个电极完全脱锂且具有100%的穿梭容量或位置/空间以在装置运行时接受嵌入离子。所述第二电极可以是完全锂化的或处于约0%的穿梭容量。或者，两个电极可在制造过程中设计为具有约0至100%的穿梭容量，如两个电极在电池组组装时均可具有约50%的穿梭容量。因此，脱锂成为制造过程的一部分，而非电池组运行的第一步骤。
[0087]
还或者，具有一个电容电极和一个嵌入电极的混合去离子(hdi)装置可经历上述活化步骤和技术。所述装置可以包括一个阳离子嵌入主体电极，其与另一侧的碳基电极耦合以从水中吸附阴离子。所述碳基电极可以包含多孔碳、活性炭等。所述混合装置可以通过从嵌入主体电极中提取阳离子而被“活化”，因为碳基对电极在电池首次组装时自然地处于放电状态。对于该过程，可以应用与本文所述相同的技术。
[0088]
在一个或多个实施方案中，提供了活化本文所述的电池组或脱盐装置的方法。所述方法包括活化所述电池组电极。所述方法可以包括用碱金属部分或完全地填充一个电极和将第二电极完全或部分地排空碱金属。填充和排空分别可导致其中一个电极处于约100%的离子穿梭容量且第二电极处于约0%的穿梭容量的配置。或者，soc平衡可以不同，如如上所述约50%/50%。所述方法可以包括通过本文所述的一种或多种过程增加或降低所述电极的穿梭容量。
[0089]
所述方法可以包括通过将一种或多种牺牲化合物a提供到所述电池组系统中来活化所述电极，如上文(a)
ꢀ-ꢀ
(e)中所述。所述方法可以包括在施加电压的同时使用一种或多种牺牲化合物a。所述方法可以包括使用纯水或在水中具有一种或多种溶解固体的水作为牺牲化合物a。所述方法可以利用氧化和/或还原反应。所述方法可以利用一种或多种具有比所述电极高或低的还原电势的牺牲化合物a。所述方法可以包括将一种或多种小的氧化还原分子加入到所述系统中。
[0090]
所述方法可以包括将一种或多种牺牲化合物a提供到一个或两个隔室中。其中可以加入一种或多种牺牲化合物a的隔室可以是具有如下电极的隔室，该电极部分或完全用碱金属填充或要部分或完全用碱金属填充，以使得该电极具有约0%的穿梭容量。其中可以加入一种或多种牺牲化合物a的隔室可以是具有如下电极的隔室，该电极部分或完全不含碱金属或要部分或完全不含碱金属填充，以使得该电极具有约100%的穿梭容量。
[0091]
所述方法可包括经由水物流、一个或多个管道、入口、通道、经由一个或多个阀等或它们的组合将一种或多种牺牲化合物a提供到所述系统中。所述方法可包括经由一个或
多个物流、管道、入口、通道、阀等或其组合将一种或多种牺牲化合物提供到所述系统中。所述方法可包括经由上述一种或多种路径加入一种或多种牺牲化合物a，其为气体、液体、凝胶、固体或其组合的形式。所述方法可包括引入一种或多种牺牲化合物a，所述牺牲化合物已溶解于、可溶于或不溶于所述电池组系统的水。
[0092]
或者，所述方法可包括在制造过程中将一种或多种牺牲化合物引入电极浆料中，以使得在构造所述系统时电极已经含有所述(一种或多种)牺牲化合物。所述方法然后可以包括提供工作电极的电势，其将一种或多种牺牲化合物a释放到系统中，以在电极内实现期望的或预定的嵌入和/或脱嵌变化。
[0093]
所述方法可包括例如经由一个或多个排放口、出口、经由一个或多个阀等或它们的组合从电池组系统中脱除氧化、还原反应的产物。所述方法可以包括将反应产物留在系统中。
[0094]
所述方法可以包括在所述系统是封闭系统时活化所述系统。或者，所述方法可包括在所述系统是开放系统时活化所述电极。所述方法可包括连续或不连续地将反应产物冲洗出电池组。
[0095]
所述方法可包括通过提供一种或多种ph调节介质来调节系统的ph，所述ph调节介质经由一个或多个物流供应至所述系统。
[0096]
或者，所述方法可包括通过在制造工艺过程中使电极脱锂以使得所述电极被制造成具有期望的或预定的容量而将所述电池组活化。
[0097]
所述方法可以如上所述包括使电池组运行，和在所述运行过程中再活化或再平衡一个或两个电极以实现期望的或预定的穿梭容量。
[0098]
本文公开的过程、方法或算法可传递到处理装置、控制器或计算机，或由处理装置、控制器或计算机实施，所述处理装置、控制器或计算机可包括任何现有的可编程电子控制单元或专用电子控制单元。类似地，所述过程、方法或算法可以以许多形式存储为可由控制器或计算机执行的数据和指令，所述形式包括但不限于永久存储在非可写存储媒介如rom装置上的信息和可更改地存储在可写存储媒介如软盘、磁带、cd、ram装置和其它磁性和光学媒介上的信息。所述过程、方法或算法也可以在软件可执行对象中实现。或者，可以使用合适的硬件组件如专用集成电路(asic)、现场可编程门阵列(fpga)、状态机、控制器或其它硬件组件或装置或者硬件、软件和固件组件的组合来整体或部分地实现所述过程、方法或算法。
[0099]
尽管上面描述了示例性实施方案，但并不旨在使这些实施方案描述权利要求包括的所有可能形式。说明书中使用的措辞是描述性的措辞而不是限制性的，并且应当理解，在不脱离本公开的精神和范围的情况下可以进行各种改变。如前所述，各种实施方案的特征可以组合以形成可能没有明确描述或示出的其它实施方案。尽管可能已将各种实施方案描述为在一个或多个所需特性方面提供了优点或优于其它实施方案或现有技术实施方式，但是本领域普通技术人员认识到可以折衷一个或多个特征或特性来实现所需的总体系统属性，这取决于特定的应用和实施。这些属性可以包括但不限于成本、强度、耐用性、寿命周期成本、市场性、外观、包装、尺寸、适用性、重量、可制造性、易于组装等。因此，对于任何实施方案描述为在一个或多个特征方面相比于其它实施方案或现有技术实施方式而言较不合意的程度，这些实施方案并不在本公开的范围之外，并且对于特定应用而言可能是合意的。