CN105139984A - 可维持超大电流的ptc保护元件 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种可维持超大电流的PTC保护元件，包含第一外接导电金属引脚、第二外接导电金属引脚和设于该第一和第二外接导电金属引脚之间的电阻正温度效应芯片(PTC)，其中，该电阻正温度效应芯片包含(1)至少一种结晶性高分子材料；(2)一种分散于该结晶性高分子材料中的导电填料，其体积电阻率低于200μΩ.cm，热导率大于10W/(m.k)，粒径大小介于0.1um至30um，且D₅₀不大于20um；(3)和两面金属电极箔，其中第一/二外接导电金属引脚分别连接电阻正温度效应芯片两面的电极箔。本发明公开的PTC热敏元件具有超低电阻特性，利用材料的低电阻率、高导热率实现高电压、大电流的放电同时可以实现小电流下过温保护，可实现在电动车蓄电池中的应用。

Description

可维持超大电流的PTC保护元件

技术领域

本发明涉及一种可维持超大电流的PTC保护元件，以支持新能源汽车类动力电池所需，具有超低电阻、高的电压承受能力且在具有超大维持电流的同时可以实现低触发温度。

背景技术

具有电阻正温度系数的导电复合材料在正常温度下可维持极低的电阻值，且具有对温度变化反应敏锐的特性，即当电路中发生过电流或过高温现象时，其电阻会瞬间增加到一高阻值，使电路处于断路状态，以达到保护电路元件的目的。因此可把具有电阻正温度系数的导电复合材料连接到电路中，作为电流传感元件的材料。此类材料已被广泛应用于电子线路保护元器件上。

2010年3月我国"两会"期间，新能源汽车的支持政策再次地成为市场关注的焦点。动力电池电动汽车在2010～2014年快速成长。除新能源汽车的发展，动力电池组、储能电池组的应用拓展到照明、蓄能、不间断电源、移动通讯、便携式电动工具、电动玩具等行业中。电池组正常工作放电可达25～150A，电压最小可达30V。故目前市面采用的保护元件均是一次性保险丝，发生故障后，难以更换。而目前可恢复性的PTC型的电池保护元件所能承受的电压仅为6～24V，可维持电流最大仅有10A；已远不能满足动力电池组和储能电池组的安全发展需求。

发明内容

本发明目的在于：提供一种可维持超大电流的PTC元件，具有超低电阻特性，可承受不低于30V的电压，其常温维持电流达200~300A，从而满足现有的动力电池组和储能电池组发展的安全要求，开拓现有PTC元件的应用范围。

本发明目的通过下述方案实现：一种可维持超大电流的PTC保护元件，包含第一外接导电金属引脚、第二外接导电金属引脚和设于该第一和第二外接导电金属引脚之间的电阻正温度效应芯片(PTC)，所述的PTC保护元件电阻低于2.0mΩ，其中，

（a）至少一具有电阻正温度效应的芯片，该芯片是由电阻正温度效应复合材料层、紧密结合在电阻正温度效应复合材料层表面的第一电极箔以及紧密结合在电阻正温度效应复合材料层另一相对表面的第二电极箔构成厚度在0.2mm～2.0mm的电阻正温度效应芯片，所述的电阻正温度效应复合材料层包含至少一种结晶性高分子材料和至少一种分散于该结晶性高分子材料的导电填料，该导电填料的体积电阻率低于200μΩ.cm、热导率大于10W/(m.K)、粒径0.1μm～30μm且D₅₀不大于20μm，所述的电极箔为金属或金属合金箔片，其体积电阻率低于10μΩ.cm、热导率不低于100W/(m.K)、厚度在1.0um～100um，其中，热导率优选高于150W/(m.K),更优高于200W/(m.K)；

导电填料占电阻正温度效应复合材料的体积百分比介于25%~85%，优选百分比为30%~70%。

（b）至少一导电金属引脚体积电阻率低于10μΩ.cm，热导率不低于100W/(m.K)，厚度在0.2mm～5.0mm，与具有电阻正温度效应的芯片电气连接。

本发明中，所述导电填料的体积电阻率不大于200μΩ.cm，优选电阻率低于100μΩ.cm；热导率大于10W/(m.K)，优选大于20W/(m.K)；粒径D₅₀不大于20um，优选粒径小于15um。

本发明中所述电极箔采用金属或金属合金为基材，其体积电阻率低于10μΩ.cm，优选体积电阻率低于8μΩ.cm。

本发明可承受的最大电压在30~120V，同时可维持电流在30～300A。

在上述方案基础上，所述的电阻正温度效应芯片厚度在0.2mm～2.0mm，优选0.30~1.0mm，更优为0.35~0.8mm。

所述的电阻正温度效应复合材料层选用聚乙烯、氯化聚乙烯、氧化聚乙烯、聚氯乙烯、丁二烯-丙烯腈共聚物、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚酰胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚苯醚、聚苯硫醚、聚甲醛、酚醛树脂、聚四氟乙烯、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物、聚三氟乙烯、聚氟乙烯、马来酸酐接枝聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯、环氧树脂、乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯、乙烯-丙烯酸共聚物中的一种及其混合物。

所述的电阻正温度效应复合材料中聚合物的体积分数可以为15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70或75%。

所述导电填料选自碳纳米管、金属粉末、导电陶瓷粉末中的一种及其混合物，其中，

所述金属粉末选自铜、镍、铁、钨、锡、银、金、铂或其合金中的一种及其混合物；

所述导电陶瓷粉末选自金属氮化物、金属碳化物、金属硼化物、金属硅化物之中的一种或几种的混合物。

所述的电阻正温度效应复合材料中导电填料的体积分数可以为25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80或85%，其粒径可以为0.1、0.5、1、2、3、4、5、6、7、8、9、或10μm。

进一步的，所述的电极箔基材为金、银、铜、锌、铝及其合金，或在所述的电极箔基材表面复合有其他金属镀层。

所述的金属引脚的基材为金、银、铜、锌、铝及其合金，或在所述的金属引脚的基材表面复合有其他金属镀层。金属引脚厚度大于0.2mm，优选高于0.3mm。

导电金属引脚可以通过电镀、化学镀、印刷、浸焊、点焊、回流焊连接在金属箔片上，从而将PTC元件连接进电路中。导电金属引脚包括任何能与金属箔片导通的结构部件，它可以是任何形状，例如，带状、片状、柱状、其他不规则形状及它们的组合体。

本发明的可按下述方法进行制备：

将结聚合物、导电填料投入混合设备，在高于聚合物熔融温度以上的温度下进行捏合。混合设备可以是转矩流变仪、密炼机、开炼机、单螺杆挤出机或双螺杆挤出机。然后将熔融混合好的聚合物加工成为片材，这可以通过挤出成型、模压成型或开练机薄通拉片来实现。一般来说，聚合物片材的厚度为0.1～2.0mm，优选为0.2～1.0mm，为了加工的方便更优为0.4～0.8mm。

复合制品的成型方法是在聚合物片材的两面压合金属箔片，当这种复合制品被分割成单个元件时，金属箔片起电极的作用。把复合制品分割成单个元件的方法包括从复合制品上分离出单个元件的任何方法，例如冲切、刻蚀、划片和激光切割。所述单个元件具有平面形状，即有与电流流过方向垂直的两个表面，且两个表面之间的距离相当薄，即至多2.0mm，优选地是至多1.2mm，特别优选的是最多0.7mm，例如0.4mm。

所述单个元件可以是任何形状，如正方形、三角形、圆形、矩形、环形、多边形或其它不规则形状。金属箔片包含至少一粗糙表面且此粗糙表面与聚合物片材直接物理性接触。金属箔的厚度一般至多为0.1mm，优选至多为0.07mm，特别是至多0.05mm，例如，0.035mm。适用的金属箔片包括金、银、铜、锌、铝及其合金。

通常可借助交联或热处理的方法来提高PTC元件性能的稳定性。

交联可以是化学交联或辐照交联，例如可利用交联促进剂、电子束辐照或Co60辐照来实现。PTC元件所需的辐照剂量一般小于100Mrad，优选为1～50Mrad，更优为1～20Mrad。

热处理可以是退火、热循环、高低温交变，例如80℃/-40℃高低温交变。所述退火的温度环境可以是PTC材料层基材分解温度以下的任何温度，例如高于导电复合材料基材熔融温度的高温退火和低于导电复合材料基材熔融温度的低温退火。

本发明的PTC元件，其在25℃的电阻率小于0.1Ω.cm，优选小于0.05Ω.cm，最优为小于0.02Ω.cm，因此本发明的PTC元件在25℃的电阻很低，低于2mΩ。

本发明的优越性在于：本发明的导电复合材料导电性能好，由于具有超低电阻特性，可承受不低于30V的电压，其常温维持电流达200~300A，从而满足现有的动力电池组和储能电池组发展的安全要求，开拓现有PTC元件的应用范围。由本发明方法制备的PTC元件性能更稳定，具有很低的室温电阻率和较高的耐电压等级。

附图说明

图1为PTC芯片的结构示意图；

图2为可维持超大电流的PTC元件图；

图中标号说明：

11——电阻正温度效应复合材料层；

121、122——上、下金属电极箔；

131、132——上、下导电金属引脚。

具体实施方式

以下通过具体的实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例1

如图1为PTC芯片的结构示意图和图2为可维持超大电流的PTC元件图所示，一种可维持超大电流的PTC保护元件，包含第一外接导电金属引脚、第二外接导电金属引脚和设于该第一和第二外接导电金属引脚之间的电阻正温度效应芯片(PTC)，所述的PTC保护元件电阻低于2.0mΩ，其中，

（a）至少一具有电阻正温度效应的芯片，该芯片是由电阻正温度效应复合材料层11、紧密结合在电阻正温度效应复合材料层11上、下表面的第一、二电极箔即上、下金属电极箔121、122构成厚度在0.2mm～2.0mm的电阻正温度效应芯片，所述的电阻正温度效应复合材料层11由体积分数为42%的高密度聚乙烯和分散于该结晶性高分子材料的导电填料碳化钛固溶体构成，该导电填料粒径小于10μm，体积电阻率42μΩ.cm，热导率为18W/(m.K)。所述的电极箔为纯铜电极箔，铜含量65%，其体积电阻率为6.9μΩ.cm、热导率为120W/(m.K)、厚度为35um。

（b）上、下导电金属引脚131、132也采用与电极箔相同的铜合金，铜含量65%，其体积电阻率为6.9μΩ.cm、热导率为120W/(m.K)，厚度在0.5mm，与具有电阻正温度效应的芯片电气连接。

本发明可维持超大电流的PTC元件制备过程如下：

如图1的PTC芯片结构示意图所示，用导电复合材料制备的电阻正温度效应复合材料层11，以及上下对称的两纯镍金属箔片作为上、下金属电极箔121、122，将电阻正温度效应复合材料层11置于上、下金属电极箔121、122之间，纯镍金属箔片至少有一粗糙表面，且所述粗糙表面与电阻正温度效应复合材料层11上下表面直接接触。再通过热压合的方法将电阻正温度效应复合材料层11和上下金属电极箔121、122紧密结合在一起，热压合的温度为180℃，先预热5分钟，然后以5MPa的压力微压3分钟，再以12MPa的压力热压10分钟，然后在冷压机上冷压8分钟，以模具将其冲切成20×28mm的单个元件，为如图1所示的具有电阻正温度效应的芯片，即PTC芯片。最后通过回流焊的方法将两个纯镍的上、下导电金属引脚131、132连接在上、下金属电极箔121、122表面，形成如图2所示的可维持超大电流的PTC元件。

本实施例可承受的最大电压在30~60V，同时可维持电流大于30A。

在上述基础上，本实施例所述的电阻正温度效应芯片厚度为0.5mm，导电金属引脚通过回流焊连接在金属箔片上，从而将PTC元件连接进电路中。导电金属引脚包括任何能与金属箔片导通的结构部件，为带状引脚。

实施例2

其他与实施例1相同，在实施例1的基础上将电极箔与引脚所采用的65%铜合金材料替换为85%铜合金材料，电阻率4.7μΩ.cm，热导率为159W/(m.K)。

实施例3

其他与实施例1相同，在实施例1的基础上将电极箔与引脚所采用的65%铜合金材料替换为95%铜合金材料，电阻率3.1μΩ.cm，热导率为243W/(m.K)。

实施例4

其他与实施例1相同，在实施例1的基础上将电极箔与引脚所采用的65%铜合金材料替换为纯铜99.99%，电阻率1.7μΩ.cm，热导率为380W/(m.K)。

对比例1

制备PTC热敏元件的导电复合材料的组成为：

（a）聚合物体积分数为42%，熔融温度为135℃和密度为0.952g/cm³的高密度聚乙烯；

（b）导电填料为导电石墨，体积分数为58%，其粒径小于44μm，热导率为129W/(m.K)，体积电阻率800~1300μΩ.cm；

（c）电极箔基材为纯镍，热导率为88W/(m.K)，电阻率为6.84μΩ·cm，厚度为35um；

（d）引脚为纯镍导电金属引脚，镍的热导率为88W/(m.K)，电阻率为6.84μΩ·cm，厚度为0.1mm；

将转矩流变仪温度设定在180℃，转速为30转/分钟，先加入聚合物和氧化镁密炼1分钟后，加入导电填料，然后继续密炼20分钟，得到导电复合材料，将熔融混合好的导电复合材料通过开炼机薄通拉片，得到厚度为0.20～0.25mm的导电复合材料11。

对比例2

制备导电复合材料及PTC热敏元件的步骤与对比例相同，但导电填料由石墨替换为碳化钛固熔体，其粒径小于10μm，体积电阻率42μΩ.cm，热导率为18W/(m.K)。

具体实施例1-4的PTC热敏元件与对比例1-2的电气特性如表1所示。

表1为PTC元件在耐压设备上从30V/50A开始耐电压测试，耐电压时间为24hr，PTC元件在耐电压24hr后，若未发生烧毁，则以30V/24hr幅度提升电压值，至PTC发生烧毁，记录PTC烧毁电压。

表1中的R表示PTC芯片的电阻；

R₀表示所述PTC热敏元件的成品电阻，金属引脚131和132已通过回流焊的方式焊接在PTC芯片两面的金属电极箔121和122表面；

Ihold表示PTC可维持通过而不发生Trip的电流；

TripEndurance(nV)所在行中若记录OK，表示PTC元件可以承受两端加载nV电压并持续24hr；若记录NG表示PTC元件两端在加载nV电压时发生烧毁。

从表1可以看出：实施例1至4和比较例具有相同体积分数的聚合物和导电填料，但实施例1至4中随着电极箔和导电金属引脚的电阻率、热导率的提高，PTC的Ihold和TripEndurance能力均在提高。

本发明的导电复合材料导电性能好，由于具有超低电阻特性，可承受不低于30V的电压，其常温维持电流达200~300A，从而满足现有的动力电池组和储能电池组发展的安全要求，开拓现有PTC元件的应用范围。由本发明方法制备的PTC元件性能更稳定，具有很低的室温电阻率和较高的耐电压等级。

本发明的内容和特点已揭示如上，然而前面叙述的本发明仅仅简要地或只涉及本发明的特定部分，本发明的特征可能比在此公开的内容涉及的更多。因此，上述实施例并不仅仅用于限定本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种可维持超大电流的PTC保护元件，包含第一外接导电金属引脚、第二外接导电金属引脚和设于该第一和第二外接导电金属引脚之间的电阻正温度效应芯片(PTC)，其特征在于：所述的PTC保护元件电阻低于2.0mΩ，其中，

（a）至少一具有电阻正温度效应的芯片，该芯片是由电阻正温度效应复合材料层、紧密结合在电阻正温度效应复合材料层表面的第一电极箔以及紧密结合在电阻正温度效应复合材料层另一相对表面的第二电极箔构成厚度在0.2mm～2.0mm的电阻正温度效应芯片，所述的电阻正温度效应复合材料层包含至少一种结晶性高分子材料和至少一种分散于该结晶性高分子材料的导电填料，该导电填料的体积电阻率低于200μΩ.cm、热导率大于10W/(m.K)、粒径0.1μm～30μm且D₅₀不大于20μm，所述的电极箔为金属或金属合金箔片，其体积电阻率低于10μΩ.cm，热导率不低于100W/(m.K)，厚度在1.0um～100um；

（b）至少一导电金属引脚体积电阻率低于10μΩ.cm，热导率不低于100W/(m.K)，厚度在0.2mm～5.0mm，与具有电阻正温度效应的芯片电气连接。

2.根据权利要求1所述的可维持超大电流的PTC保护元件，其特征在于：所述的PTC保护元件中的电阻正温度效应芯片厚度在0.2mm～2.0mm。

3.根据权利要求1或2所述的可维持超大电流的PTC保护元件，其特征在于：所述的PTC保护元件承受的最大电压在30~120V，同时，维持电流在30～300A。

4.根据权利要求1或2所述的可维持超大电流的PTC保护元件，其特征在于：所述的电阻正温度效应复合材料层选用聚乙烯、氯化聚乙烯、氧化聚乙烯、聚氯乙烯、丁二烯-丙烯腈共聚物、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚酰胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚苯醚、聚苯硫醚、聚甲醛、酚醛树脂、聚四氟乙烯、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物、聚三氟乙烯、聚氟乙烯、马来酸酐接枝聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯、环氧树脂、乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯、乙烯-丙烯酸共聚物中的一种及其混合物。

5.根据权利要求1或2所述的可维持超大电流的PTC保护元件，其特征在于：所述的具有电阻正温度效应的芯片中导电填料选自碳纳米管、金属粉末、导电陶瓷粉末中的一种及其混合物，其中，

所述金属粉末选自铜、镍、铁、钨、锡、银、金、铂或其合金中的一种及其混合物；

所述导电陶瓷粉末选自金属氮化物、金属碳化物、金属硼化物、金属硅化物之中的一种或几种的混合物。

6.根据权利要求1所述的可维持超大电流的PTC保护元件，其特征在于：所述的具有电阻正温度效应的芯片中的电极箔采用金、银、铜、锌、铝及其合金为基材，或在所述的电极箔基材表面复合有其他金属镀层。

7.根据权利要求1所述的可维持超大电流的PTC保护元件，其特征在于：所述的PTC保护元件中的金属引脚采用金、银、铜、锌、铝及其合金为基材，或在所述的金属引脚的基材表面复合有其他金属镀层。