CN101026029B - 过电流保护元件 - Google Patents

Abstract

本发明的过电流保护元件包含二个金属箔片以及一叠设于所述二个金属箔片间的PTC材料层。所述PTC材料层主要包含一高分子聚合物基材和一导电填料，其中所述高分子聚合物基材至少包含一第一结晶性高分子聚合物(例如LDPE)和一第二结晶性高分子聚合物(例如PVDF)，所述第二结晶性高分子聚合物的熔点高于所述第一结晶性高分子聚合物的熔点至少50℃。所述导电填料为选择体积电阻值小于500mΩ-cm的金属颗粒或无氧陶瓷粉末，其散布于所述高分子聚合物基材中。所述PTC材料层的体积电阻值小于0.1Ω-cm，且当电阻增加为初始阻值Ri的1000倍时(即触发时)，其温度减去所述第一结晶性高分子聚合物的熔点小于15℃。

Description

过电流保护元件

技术领域

本发明涉及一种过电流保护元件，更具体而言，涉及一应用于低负载(low load)环境的过电流保护元件。

背景技术

由于具有正温度系数(Positive Temperature Coefficient；PTC)特性的导电复合材料的电阻具有对温度变化反应敏锐的特性，可作为电流感测元件的材料，且目前已被广泛应用于过电流保护元件或电路元件上。由于PTC导电复合材料在正常温度下的电阻可维持极低值，使电路或电池得以正常运作。但是，当电路或电池发生过电流(over-current)或过高温(over-temperature)的现象时，其电阻值会瞬间提高到一高电阻状态(至少10⁴ohm以上)，而将过量的电流反向抵销，以达到保护电池或电路元件的目的。

一般而言，PTC导电复合材料由一种或一种以上具结晶性的聚合物和导电填料所组成，所述导电填料均匀分散于所述聚合物中。所述聚合物一般为聚烯烃类聚合物，例如：聚乙烯；而导电填料以碳黑最广为使用。

以电池的过电流保护而言，因必需于较低温时即提供保护，所以其PTC导电复合材料选用熔点较低的聚合物(例如低密度聚乙烯(LDPE))作为基材，使其可于较低温时即达到触发温度，免于电池因过热而爆炸或烧毁。

然而，LDPE构成聚合物基材的PTC导电复合材料经过长期使用后，其会有电阻逐渐飘高的现象。例如将其置于温度范围-40℃～+85℃的热冲击(thermal shock)经100循环(cycle)后，其电阻将由初始的10mΩ陡增到1Ω以上，即电阻无法回复初始值，而不适应用于电池等低负载的电气装置。

虽然已知于LDPE中加入高密度聚乙烯(HDPE)可改善上述电阻再现性不良的问题，然而因为LDPE和HDPE的熔点相近(分别约为105℃和130℃)而有互溶现象，使得触发温度与单纯以LDPE为聚合物基材的PTC导电复合材料相比较明显偏高(如图1所示)，即提高PTC导电复合材料的触发温度，因而丧失低温保护特性。因此，如果将其应用于锂离子电池恐怕会有发生烧毁或爆炸等危险。

综上可知，于提高电阻再现性和降低触发温度间形成两难的局面，而急切需要突破以供低负载应用所需。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种过电流保护元件，通过由于PTC导电复合材料中加入一熔点较高的结晶性高分子聚合物，使所述过电流保护元件具有优异的电阻回复再现性，且仍然保留有低温触发(trip)的保护功能。

为了达到上述目的，本发明揭示一种过电流保护元件，其包含二个金属箔片以及一叠设于所述二金属箔片间的PTC材料层.所述PTC材料层主要包含一高分子聚合物基材和一导电填料.所述高分子聚合物基材至少包含一第一结晶性高分子聚合物和一第二结晶性高分子聚合物，其中所述第二结晶性高分子聚合物的熔点减去所述第一结晶性高分子聚合物的熔点大于50℃，即两者熔点相差大于50℃.在本发明的一实施例中，所述第一结晶性高分子聚合物为LDPE(熔点约105℃)，而第二结晶性高分子聚合物可为氟聚合物，如聚氟化亚乙烯(polyvinylidine fluoride；PVDF)(熔点约165℃)。所述导电填料为选择体积电阻值小于500mΩ-cm的金属颗粒(例如镍粉)或无氧陶瓷粉末(例如碳化钛(TiC)或碳化钨(TiW))，其散布于所述高分子聚合物基材中。所述PTC材料层的初始体积电阻值小于0.1Ω-cm，且当PTC材料层的电阻增加到初始阻值Ri的1000倍时，其温度减去所述第一结晶性高分子聚合物的熔点小于15℃。

此外，所述PTC材料层经温度为-40到+85℃的冷热冲击循环100次后，其电阻小于初始电阻的100倍。所述第一结晶性高分子聚合物占PTC材料层的重量百分比小于20％。又所述第二结晶性高分子聚合物占PTC材料层的重量百分比介于1-10％。

本发明实施例中的PTC材料层所选用的LDPE可用传统Ziegler-Natta催化剂或用Metallocene催化剂聚合而成，还可经由乙烯单体与其它单体(例如：丁烯(butene)、己烯(hexene)、辛烯(octene)、丙烯酸(acrylic acid)或醋酸乙烯酯(vinyl acetate))共聚合而成。

另外，PTC材料层中可加入非导电填料，例如有阻燃效果或抗电弧效应的无机化合物，例如：氧化锌、氧化锑、氧化铝、氧化硅、碳酸钙、硫酸镁、硫酸钡以及含有氢氧基(OH)的化合物(例如：氢氧化镁、氢氧化铝、氢氧化钙、氢氧化钡等)。此非导电填料其粒径大小主要介于0.05μm到50μm之间，且其重量比是介于1％到20％之间。

举例以锂离子电池的应用而言，为了保护其过充电时的安全，其使用的过电流保护元件必须在较低温就能有触发反应，且必需具备良好的电阻回复或再现性。本发明的过电流保护元件可克服上述两个重要条件不易同时达到的缺点，而可提供低负载的应用且同时兼具低温保护的功能。

附图说明

图1为常规的PTC复合材料添加和未添加HDPE的温度和电阻关系图；

图2示范本发明一实施例的过电流保护元件；以及

图3为PTC复合材料添加和未添加PVDF的温度和电阻关系图。

具体实施方式

以下将就添加不同比例的PVDF为例，通过以说明本发明的过电流保护元件的电阻再现和低触发温度等特性。

表一显示PTC材料层的组成成分，其中低密度聚乙烯(LDPE)是选自台塑公司生产的型号Taisox 6330F产品，高密度聚乙烯(HDPE)是选自台塑公司生产的型号Taisox 8010产品，PVDF则选自ElfAutochem公司生产的型号Kynar740产品，碳化钛(TiC)则选自InframatAdvanced Materials公司的型号22R-0601产品。实验组1、2和3添加不同重量百分比的PVDF，其分别为2.27％、4.17％和3.35％；比较组1和2则未添加PVDF。

表一

LDPE的熔点约为105℃，HDPE的熔点则约为130℃，而PVDF的熔点约在165℃。碳化钛用作导电填料，其体积电阻值约在150Ω-cm，其还可由其它具有至少500Ω-cm以下的体积电阻值的金属或无氧陶瓷导电填料替代，以致于所混合成的PTC材料可达到低于0.1Ω-cm的体积电阻值。所以与以碳黑作为导电填料的PTC材料(体积电阻值一般大于0.1Ω-cm)相比，金属或无氧陶瓷导电填料可有效降低电阻值，而适合于低负载电子产品的应用。

按上述的各实验组和比较组所示的比例先置于钢杯并以量匙搅拌均匀后，加入型号为Hakke-600的批式混练机中进行混练。混练的进料温度设定为210℃，初期混炼机的转速设为40rpm，经3分钟后则增加到70rpm并继续混炼12分钟后下料，而形成一具有PTC特性的导电复合材料。

将上述导电复合材料以上、下对称方式置入外层为钢板、中间厚度为0.4mm的模具中，所述模具上、下各置一层铁弗龙脱模布。将所述导电复合材料先预热8分钟，再压合2分钟(操作压力100kg/cm²，温度为200℃)，而形成一PTC材料层。将所述PTC材料层裁切成20×20cm²的正方形，并于PTC材料层上、下置一金属箔片再压合一次。之后，先预热5分钟，再压合2分钟(操作压力50kg/cm²，温度为200℃)于所述PTC材料层上、下表面分别形成一金属箔片(例如镀镍铜箔)。接着，以模具冲切形成3.4×4.1mm的PTC芯片，再以回焊组装制程，将PTC芯片的上、下金属箔分别经由锡膏相结合上、下各一电极片(例如镍片、铜片或由其合金所组成的金属片)，形成一如图2所示的轴型(axial leaded)PTC元件，即本发明的过电流保护元件10。具体而言，所述过电流保护元件10包含一PTC材料层14、两个金属箔片12和两个电极片16。所述PTC材料层14叠设于两个金属箔片12之间，而两个电极片16则分别连接两个金属箔片12的表面。

测量所述PTC材料层14的初始电阻、体积电阻、电阻弹升到初始阻值Ri的1000倍时的温度(定义为触发温度)以及于温度介于40℃～100℃冷热冲击100次后的电阻值，其结果如表二所示。其中相关电阻值以微电阻计四线式方法进行测量，而体积电阻值(ρ)可根据式(1)计算而得：

$\mathrm{\ρ}=\frac{R\×A}{L}...\left(1\right)$

其中R为PTC材料层14的电阻值(Ω)，A为PTC材料层14的面积(cm²)，L为PTC材料层14的厚度(cm)。

表二

综合表一的PTC组成成份和表二的实验数据，可得以下结果：

1.将电阻弹升到初始电阻值Ri的1000倍时的温度定义为PTC元件的触发温度。添加若干PVDF的实验组1、2和3其触发温度分别为108℃、105℃和108℃，其与LDPE的熔点(约105℃)均相差于5℃以内。另外，通过由添加不同PVDF比例，可将触发温度减去LDPE熔点的数值控制为小于15℃，而具有实际应用上的价值。反过来看，未添加PVDF的比较组1，其触发温度骤升到约121度，而大幅减损其作为低温过电流保护的功能。比较组2虽然也未添加PVDF，但HDPE与LDPE相比的比例非常低，因此其触发温度并未明显升高。然而，其经-40℃到+85℃冷热冲击后，其电阻由原本的0.0088Ω骤升到1.201Ω，已不适于需高电流的低负载使用。

2.上述实验组和比较组因为均添加低电阻(约150Ω-cm)的碳化钛作为导电填料，所以相应的PTC材料层的体积电阻值均小于0.1Ω-cm，其与以碳黑作为导电填料相比较可大幅降低。

3.比较组2因为添加HDPE的缘故，尽管经-40℃到+85℃冷热冲击后，其电阻仅由0.0056Ω增加到0.213Ω而仍处于可使用范围，然而其触发温度已跃升到121℃而无法用于低温保护。反过来看添加PVDF的实验组1、2和3，不仅其冷热冲击后的电阻值小于其初始电阻值的100倍(实验组1、2和3的实际倍数均小于30倍)，且其触发温度与LDPE的熔点相差均于15℃以内(实验组1、2和3的实际温度相差于5℃以内)。

综上所述，本发明利用添加PVDF可大幅减低经冷热冲击后的电阻值而增加使用寿命，且其也不会如常规添加HDPE时产生触发温度增高的问题，而仍然可提供低温时的保护。但是，本发明添加的结晶性高分子聚合物并不限定使用PVDF，其它具有类似特性的高分子聚合物，也为本发明所涵盖。

本发明的技术内容和技术特点已揭示如上，然而所属领域的技术人员仍可能基于本发明的教示和揭示而作种种不背离本发明精神的替换和修改。因此，本发明的保护范围应不限于实施例所揭示的内容，而应包括各种不背离本发明的替换和修改，并为所附的权利要求书所涵盖。

Claims (10)

1.一种过电流保护元件，包含：

二个金属箔片；以及

一正温度系数材料层，叠设于所述二个金属箔片之间，其包含：

(1)一高分子聚合物基材，其至少包含一第一结晶性高分子聚合物和一第二结晶性高分子聚合物，所述第二结晶性高分子聚合物的熔点高于所述第一结晶性高分子聚合物的熔点至少50℃；和

(2)一导电填料，散布于所述高分子聚合物基材中，且其体积电阻值小于500μΩ-cm；

其中所述PTC材料层的体积电阻值小于0.1Ω-cm，且当其电阻增加为初始阻值的1000倍时的温度减去所述第一结晶性高分子聚合物的熔点小于15℃。

2.根据权利要求1所述的过电流保护元件，经温度为-40到85℃的冷热冲击循环100次后，其PTC材料层的电阻小于其初始电阻的100倍。

3.根据权利要求1所述的过电流保护元件，其中所述第一结晶性高分子聚合物占所述PTC材料层的重量百分比小于20％。

4.根据权利要求1所述的过电流保护元件，其中所述第二结晶性高分子聚合物为氟聚合物。

5.根据权利要求4所述的过电流保护元件，其中所述氟聚合物为聚氟化亚乙烯。

6.根据权利要求1所述的过电流保护元件，其中所述第一结晶性高分子聚合物为低密度聚乙烯。

7.根据权利要求1所述的过电流保护元件，其中所述第二结晶性高分子聚合物占所述PTC材料层的重量百分比介于1-10％。

8.根据权利要求1所述的过电流保护元件，其中所述导电填料为金属颗粒或无氧陶瓷粉末。

9.根据权利要求1所述的过电流保护元件，其中所述导电填料为镍粉或碳化钛。

10.根据权利要求1所述的过电流保护元件，其另外包含分别连接于所述两个金属箔片表面的两个电极。

Images