液流电池电堆是由多个单元电池通过双极板串联组成的。电堆主要由端板、集流板、电极(如石墨毡、碳毡等)、电极框/液流框、隔膜、双极板、密封件、紧固件等组成。

液流电池密封技术行业现状

然而,这些部件的堆叠过程中,需要叠加密封垫,这不仅降低了封装效率,而且复杂的密封件也增加了电堆的漏液风险。

 1、电堆常用的密封形式 

目前,液流储能行业内,整个电堆的密封技术主要有以下三种:

  • 一是板框之间采用密封垫密封;

  • 二是质子膜之间采用密封垫密封;

  • 三是双极板和板框之间采用热熔胶密封。

由于流场框注塑本身存在的热应力以及热熔胶经过加热后带来的热应力,导致流场框存在热应力。在不同的温度场下,因热应力释放,会导致流场框产生局部变形。密封垫或热熔胶条在锁簧压紧(高压)情况下,并不能随着板框微小变化而变化,这就是电堆内漏外漏的原因之一。

现有解决外漏的另外一种方案是热板热封技术。

正常情况下,热熔3mm以上的压缩量,加热冷却时间在半小时以上。这给整个电堆带来了新的热应力,也可能导致整个板框的流道变形。

近一年来,发展出以下两种新型密封技术:

一是扫黑密封技术,即先扫黑再激光焊接,经帝耐激光与沈阳恒久安泰储能公司共同验证,扫黑过程中会出现碳粒,而碳粒在激光加热过程中会碳化导致漏液风险。

二是在双极板和流场框之间加黑色橡胶体粘黏,但此原理与密封圈相同,不能解决双极板、流场框因热应力释放导致的变形问题。

1.1 橡胶密封垫(圈)

密封垫片结构形式的密封,是早期应用最为普遍的一种。

  • 星辰新能

采用创新性结构设计,自主研制的嵌入式符合密封结构(已应用于星辰1号电堆中)

  • 大力储能、志喜科技

采用组件一体化设计,具有组装简单、密封可靠等特点。

  • 集成密封的一体化流道框——双色注塑工艺

该结构可以采用改性聚丙烯作为流道框本体材料,采用EPDM/PP动态硫化热塑性弹性体作为密封垫材料,通过双色注塑工艺加工成型。通过试验验证,成功制备了双色注塑的流道框,并且组装成电池后性能测试良好。

1.2 无O型圈密封技术
  • 北京普能世纪科技有限公司

北京普能世纪科技有限公司在高性能离子交换膜技术、长寿命电解液配方、高性能双极板、创新电堆内部流场设计、无圈密封电堆生产制造独家技术等具有成本优势。其最新产品Gen 3VRB GWh-ESS®创新电堆内部流场设计、采用无O-圈密封电堆生产制造独家技术。

  • 绿矾能源
采用独特的自结合密封技术,不需焊接、不需要密封圈,完美解决了钒电池电堆密封的难题。
1.3 液体胶水固化成型密封
  • 浙江聚合储能科技有限公司

JH电堆采用新型液体胶水固化成型密封方式,密封方式为在电堆装配过程中,在相应密封处注入液体密封胶,然后组装成电堆,密封胶经过一段时间后自动固化成型,达到密封效果。

液流电池密封技术行业现状

  • 惠州市杜科新材料有限公司

在密封领域,杜科新材推出了DB750L系列紫外光固化液体胶。这种胶水通过点胶或印刷工艺应用于液流电池石墨板、膜和边框的粘接密封。

密封胶密封优点

A.密封胶经过第三方认证,可以在高腐蚀性和强氧化性的强酸强碱溶液中长时间稳定运行。  

B.密封胶最初状态为胶状液体。在电堆装配锁紧过程,需要给电堆施加的压力非常小,从而降低了电堆内部的部件的承压,极大减少了因装配过程导致的各个关键部件的损坏风险(如隔膜、极板等)。

C.同时,因为较小的压力,电堆端压板可以选择更薄的尺寸,极大减轻了电堆的重量。

D.结合透明可视化材料,采用液体胶密封,在装配过程可以通过清晰的视觉检测,判断单片电池的内外漏液密封是否合格,极大提高了质检效率和准确性。

E.最后,采用胶水密封技术,极大减少了密封面积,增加电堆的透光度,为后期电堆运行过程中的维护和检修提供了极大的便利。

此外,要解决液流电池的密封问题,核心在于如何消除或减小应力,或者设计允许应力存在的结构,可通过弹性梯次配置的粘接结构达到效果,主要形式有:同种材质粘接、材料改性、材料改性、材料改性

1.4 激光焊接技术

焊接的目的是为了确保电池内部的导电性和密封性,同时保证电池材料在使用过程中能够承受一定的机械应力和化学腐蚀。

优点:焊缝美观,无焊渣;非接触性焊接,无机械应力;适用于复杂、大型制件焊接;支持在线监控工艺过程;焊接周期短,焊接强度高,良品率高,设备维护成本低。
缺点:前期投入成本较高,对焊接基材有一定的特殊要求。
 2、焊接设备企业介绍(部分) 
2.1 三束激光

上海三束实业有限公司专注于研发高效、稳定的塑料激光焊接设备,特别适用于长时储能电池双极板的生产。上海三束的轮廓闭环塑料激光焊接机和测温及功率闭环塑料激光焊接机具有多种焊接方式、双工位设计、实时闭环控制、24小时在线生产等特点,广泛适用于不同材料的焊接需求。

详情点击——《长时液流储能电池双极板激光塑料焊接设备介绍》
2.2 帝耐激光

南京帝耐激光科技有限公司2020年进入液流储能行业,研发出全球第一条全激光焊接电堆自动化产线。激光焊接有效解决了传统热熔胶堵塞流道和密封圈低效的问题。

2023年12月,南京帝耐激光成功研发出质子交换膜和板框材料的直接焊接设备。目前,南京帝耐激光拥有激光焊接双极板、激光焊接质子膜、激光焊接AB板、激光整堆焊技术、热熔胶体技术、热板密封技术以及全自动化电堆装配生产线技术。尤其是在整堆堆叠激光焊接技术中,目前帝耐激光是唯一一家量产此技术的企业。此技术成功攻克了激光整堆焊接的材料、工艺(包括注塑工艺和激光工艺)、结构等方面的技术性难题。

详情点击——《南京帝耐激光真正解决全氟磺酸膜的焊接难题》
2.3 华焯激光——同步激光焊接和滚珠焊

华焯激光成立于2014年,依托于华中科技大学制造装备数字化国家工程研究中心,主营塑料激光焊接设备。公司在顺德和宁波设有生产制造中心,在武汉设有研发中心。最新推出的技术包括同步激光焊接和滚珠焊,主要针对液流电池的焊接。

详情点击——《全面解析塑料激光焊接在液流电池领域的应用及优势》
2.4 苏州富润泽激光科技有限公司

富润泽激光与多家科研机构合作,建设有华东地区先进的激光焊接实验室。在液流电池领域,拥有液流电池焊接专机,属于柔性、非接触式、无振动焊接,便于与生产线配合。焊接过程无污染、无焊渣,可维持材料表面清洁,整体焊接牢固、密封性好。

 3、焊接技术应用现状 

3.1 大连融科——激光焊接多孔离子传导膜

2020年6月,中科院大连化物所储能技术研究部李先锋研究员和张华民研究员团队成功开发出新一代30 kW级低成本全钒液流电池电堆。该电堆采用研究团队自主研发的可焊接多孔离子传导膜(成本<100 RMB/m2)。相对于传统的电池组装技术,膜材料实际使用面积减少30%。

在新一代电堆的组装工艺中,研究团队打破了传统的组装方式,首次将激光焊接技术应用于电堆组装工艺中,大大提高了电堆的可靠性,同时也提高了电堆装配的自动化程度,减少了密封材料的使用,电堆总成本降低了40%。新一代电堆的成功研发,将大幅度降低全钒液流电池系统的成本,推动全钒液流电池的产业化应用。

3.2 湖北振华化学——激光堆叠焊工艺

2023年08月,湖北振华化学股份有限公司公开了一项发明专利,一种液流电池用激光堆叠焊接工艺及其焊接组件,包括自上而下依次设置的上端板、第一铜板、进口集流框、第一柔性石墨板、第一双极板、第二双极板、上流场框、第一石墨毡、隔膜、下流场框、第二石墨毡、第三双极板、集流板框、第二柔性石墨板、第二铜板以及下端板;所述上端板、进口集流框、上流场框、下流场框、集流板框以及所述下端板均为聚丙烯材质;本发明将液流电池分设为多个不同功能的单元,再将多个单元进行激光堆叠焊接密封,实现了液流电池电堆的一体化结构,使得工艺更加简单,降低了装配的难度,且可以根据需要装配成不同节数的电池,使用更加的灵活。

3.3 西融储能——液流电池自动化电堆生产线正式投产
2021年,北京西融储能科技有限公司成立,扬州公司于同年在高邮成立,主要生产液流电池电堆,年产能可达100MW。2023年12月23日,西融储能子公司扬州西融储能液流电池自动化电堆生产线投产仪式在江苏省高邮市举办。西融储能目前已经升级到了第三代电堆产品,成本优势明显,效率大幅提升。预计2024年将在内蒙和新疆投建液流电池的整装生产线,加速市场拓展。
3.4 伟力得——激光焊接一体化双极板
四川伟力得能源股份有限公司成立于2004年,掌握全球首创的电堆激光焊接封装工艺、1500kW功率单元集成技术、可焊接一体化双极板标准制程,且实现全产业链关键材料自主可控,作为液流电池标委会成员单位在行业内已起到引领作用。
激光焊接工艺:全球首创激光全焊接密封技术,解决传统胶圈密封漏液问题,大大提高电池可靠性和环境友好性,实现免维护。该技术入选“科技助力经济2020"国家级重点专项。
3.5 美淼储能——电堆一体化激光焊接

一体化激光焊接是利用激光束优异的方向性和高功率密度等特性进行工作,通过光学系统将激光束聚焦在很小的区域内,在极短的时间内使被焊处形成一个能量高度集中的热源区,从而使被焊物熔化并形成牢固的焊点和焊缝。

一方面利用激光束优异的方向性和高功率密度等特性,在已有的行业先进技术基础上,采用合适的焊接膜,通过结构配合及工序、工艺的设计解决了全氟磺酸质子膜和板框难焊接问题。另一方面通过结构设计,选择合适波段功率的激光,利用其反射特性,控制焊接速度解决了板框焊接热变形问题,实现了电堆一体化激光焊接工艺封装。
3.6 天府储能——一体化全焊接封装

天府储能自主研发了高性能电极活化处理、一体化全焊接封装、结构及流道设计等创新技术。“密封”问题一直是阻碍钒电池电堆做大的一大障碍,“电堆做大后不易密封,内部零部件稍有不慎就会发生挤压形变,甚至造成失效。曾义凯团队采用的全新一体化全焊接密封技术,不仅对大功率、大尺寸电堆也能实现良好的密封,同时对密封成本也具有一定的可控性。

 

3.7 中钠储能技术有限公司
中钠储能自成立以来,在生产方面,完成了全钒液流电池系统集成技术的突破,包括管路设计、BMS、电堆的设计、储能系统的优化与效率的提升;在研发方面,进行了宽温区电解液的研究、钒电池的实验室测试、低成本多孔可焊接膜的研究。
3.6 华秦储能技术有限公司——可焊接电堆
正联合中国科学院大连化物所、西安交大、西安建科大等科研院所及大型发电企业推动“陕西省液流储能创新中心”升级成为国家级制造业创新中心。公司掌握液流电池的热熔、可焊接等迭代技术,开发出行业领先的全钒、锌溴、锌镍系列化产品,实现了生产一代、储备一代、研发一代,以领先十年的迭代技术保持核心竞争优势,是液流储能行业领先企业。
3.7 乐山创新储能技术研究院有限公司——20Kw电堆焊接技术
乐山创新储能技术研究院由乐山晟嘉电气股份有限公司设立,与中科院大连化物所有签署合作协议,国际著名燃料电池和液流电池专家张华民任“名誉院长”。已经成功开发了20千瓦时的电池单堆,并应用在四川省最大的全钒液流电池储能示范工程。该产品采用了全球首创的“电堆焊接密封技术”,从根本上解决了传统的胶圈密封技术的漏液问题,大大提高电池使用寿命、安全性和环境友好,并同时实现电池高效率循环。
4、焊接技术发展前景 
尽管液流电池目前仍处于工业化发展的初级阶段,其市场份额相对较小。根据中国能源储存联盟(CNESA)的数据,截至2022年底,全球新能源电力储能项目的累计装机规模中,锂离子电池占据了主导地位,约占94.4%,而液流电池的份额仅为0.1%。然而,
近几年来,全球的全钒液流电池已逐渐走向工程示范与商业化应用,并且单个项目的规模也显示出逐步扩大的趋势。从2018年到2021年,液流电池的市场规模年均复合增长率达到了55.2%,2022年的市场规模更是达到了10.6亿元。预计到2027年,市场规模将达到248.9亿元,从2022年到2027年,市场规模的年均复合增长率可能达到87.9%。
这样的高速增长必将推动设备自动化行业的发展。电堆自动化生产线包括了诸如双极板裁剪机、碳毡(碳布)裁剪机、离子膜裁剪机、端板裁剪机,双极板激光焊接机、离子膜激光焊接机、离子膜涂胶机、AB板激光焊接机,激光叠焊机,压装机、激光封装机,热板封装机、整堆气密检测仪,单节电池气密检测仪,离子膜检漏仪,热熔机、隔膜检漏仪等设备。
如果再算上双极板,密封材料的制备加工以及离子膜相关设备,设备投资将形成一个巨大的市场。
山东海化集团已成功研制出可用于焊接的双极板,并申请了专利,一种液流电池用可焊接的双极板及其制备方法和应用。是将双极板中央与电极接触区域填充高导电性的混合料,而边缘与电极框接触区域填充低导电性的混合料,通过一步热压技术制备复合双极板。该双极板具有良好的导电性能和较低的接触电阻,可通过焊接技术实现双极板和电极框的一体化成型,从而实现在不使用密封圈的情况下,充分保障电堆的密封性能和运行的安全可靠性,提高电池使用寿命,降低液流电池电堆的组装成本和制造成本。
焊接技术应用于电堆集成,不仅提高了电堆的可靠性,同时提高了电堆装配的自动化程度,减少密封材料的使用,也降低了电堆的成本。今天,激光焊接塑料技术已经在液流电池生产制造领域得到广泛应用。
5、总结 
激光焊接相较于传统的密封圈方法,无疑带来了显著的效益。以目前主流的单堆功率32KW为例,激光焊接能节约近一万元密封条,大约节约一万元隔膜,以及一万元双极板。这不仅在物料上带来了巨大的节省,更为重要的是,整堆激光焊接成功解决了热变形、翘曲等问题,特别是在不同温度场的使用情况下,电堆的变形漏液问题得到了有效的解决。
此外,电堆流场框的温度大约在180°左右,而全氟磺酸膜的温度则在350°左右。这样的温度差使得激光焊接全氟磺酸膜变得极为困难,以前几乎无法完成。然而,南京帝耐激光科技有限公司革新了工艺和结构,成功地解决了这个焊接难题。此项技术创新将传统的手动铺设密封垫、压合全氟磺酸膜以防止漏液的过程,转变为全自动化的激光焊接全氟磺酸膜。这不仅提高了工作效率,节约了生产成本,而且解决了困扰液流储能行业几十年的传统工艺漏液问题。这一创新对于推动液流电池的工业化生产和应用有着深远的意义。
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原文始发于微信公众号(艾邦液流电池网):液流电池密封技术行业现状

液流电池(Flow Battery)是一种可充电电池,它通过液体电解质的流动来存储电能。与传统的固态电池(如锂离子电池)不同,液流电池的能量存储组件(电解质)是分离的,通常储存在外部容器中,在充放电过程中通过电池单元循环。
液流电池是一种活性物质存在于液态电解质中的电池技术,电解液在电堆外部,在循环泵的推动下流经电堆,实现化学能与电能的转换。国际上液流电池主要有全钒液流电池、锌溴电池、铁铬电池、多硫化钠溴电池4种技术路线。
其中全钒液流电池目前产业链建设和技术成熟度相对较高。全钒液流电池系统由功率单元(电堆),能量单元(电解液和电解液储罐),电解液输送单元(管路、阀、泵、传感器等辅助部件)以及电池管理系统等组成。其中,电堆由离子交换膜、电极、双极板、电极框、密封等材料构成。液流电池生产线包括(双极板,膜裁切,碳毡裁切,电堆堆叠组装)等。欢迎申请加入微信群。
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作者 808, ab