CN109153872A - 超薄正温度系数片材和用于制造其的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于制造正温度系数(PTC)材料片材的方法包括提供PTC材料，将PTC材料研磨为粉末，和将研磨的PTC材料插入至压机中。将研磨的PTC材料在压机内压制，直到PTC材料限定平面形状。然后从压机中移出PTC材料，从而提供PTC片材。

Description

超薄正温度系数片材和用于制造其的方法
技术领域
本发明总体上涉及正温度系数材料。更具体地，本发明涉及正温度系数材料的超薄片材和用于制造其的方法。
相关技术说明
通常在电路中使用正温度系数(PTC)装置以针对过电流状态提供保护。选择装置中的PTC材料以在PTC装置的正常运行温度范围内具有较低的电阻并且在高于PTC的正常运行温度时具有高电阻。例如，可以将PTC装置与电池接线柱串联，使得所有流过电池的电流都流过PTC装置。PTC装置的温度随着流过PTC装置的电流增大而逐渐升高。当PTC装置的温度达到“活化温度”时，PTC装置的电阻急剧增加。这进而使流过PTC装置的电流急剧降低，从而保护电池免受过电流状态影响。
现有的PTC装置通常包括被包含隔离/绝缘材料的封装件包围的具有PTC特性的芯部材料。将导电垫设置在封装件外部并且与芯部材料的相对表面电耦接，使得电流流过芯部材料的横截面。在电流所流过的表面之间的距离通常大于125μm，其限制了PTC装置的最小尺寸。
考虑到以下公开内容，关于现有PTC装置的其他问题将变得显而易见。
发明概述
在一个方面中，用于制造正温度系数(PTC)材料片材的方法包括提供PTC材料，将PTC材料研磨为粉末，和将研磨的PTC材料插入至压机中。在压机内压制研磨的PTC材料，直到PTC材料限定平面形状。然后从压机中移出PTC材料，从而提供PTC片材。
在第二方面中，用于制造正温度系数(PTC)材料片材的方法包括将导电填料和溶解的聚合物混合为PTC墨溶液。将溶液铺展在平面表面上。然后将溶液干燥并且从平面表面移出，从而提供PTC片材。
在第三方面中，正温度系数(PTC)装置包括导电填料和聚合物基质。在PTC装置的第一和第二相对表面之间的距离可以小于50μm或小于20μm。
附图简述
图1示出了用于制造超薄PTC片材的第一示例性方法；
图2A和2B示出了图1的方法的示例性操作；
图2C和2D分别示出了通过以上方法制造的示例性PTC片材以及PTC片材的厚度；
图3是示出了通过上述方法形成的厚度为约48μm的PTC片材的性能特性的图表；
图4示出了用于制造超薄PTC片材的第二示例性方法；
图5a-5c示出了图4的方法的示例性操作；
图6是示出了通过图4的方法形成的厚度为约15μm的的PTC片材的性能特性的图表；
图7示出了用于使用图4的方法大量生产超薄PTC片材的示例性装置；
图8示出了使用通过图1或图4的方法形成的PTC片材的示例性电池；和
图9A-9C示出了示例性独立式PTC装置实施方案。
详细描述
下面描述用于制造具有小于50μm或小于20μm的标称厚度的超薄PTC片材的方法和系统。可以将超薄PTC片材切成切片并且在不严重影响电池尺寸的情况下插入电池结构的层中，由此克服上述问题。
图1示出了用于制造超薄PTC片材的第一示例性操作组。在方块100，可以以挤出板形式提供PTC材料。可以将PTC材料转化为粉末形式。例如，可以使用机械工艺如碾磨或研磨或者不同的工艺将以挤出板形式提供的PTC材料研磨碎。可以使用其他工艺将PTC材料粉碎为粉末形式。PTC材料的粉末形式包括具有在0.1μm至50μm之间的中值直径的PTC粒子。
PTC材料可以包含一种或多种导电和聚合物填料。导电填料可以包括碳化钨、镍、碳、碳化钛或不同导电填料或具有类似导电特性的不同材料的导电粒子。每个导电粒子的尺寸可以具有在0.1μm至50μm之间的中值直径。聚合物填料可以包括聚偏二氟乙烯、聚乙烯、乙烯四氟乙烯、乙烯-乙酸乙烯酯、乙烯丙烯酸丁酯或具有类似特性的不同材料的粒子。每个聚合物粒子的尺寸可以具有在1μm至1000μm之间的中值直径。
在方块105，将粉末状PTC材料插入至压机或辊压机中并且压制。图2A和2B示出了示例性压制操作。在图2A中，将粉末状PTC材料210a(以夸大的尺寸示出)放置在压机205的相对板之间。可以将粉末状PTC材料210a涂覆到压机205的板中的一个上。例如，可以将粉末状PTC材料210a喷到或滴到板上，直到得到所需厚度。涂覆后的粉末状PTC材料210a的厚度可以在约5μm至130μm之间。
在一些实施方案中，可以首先紧贴压机205的板中的一个或两个插入基板材料，如铜、镍等，并且可以将粉末状PTC材料210a喷到或滴到基板中的一个上，以提供具有顶部和底部导电层的最终PTC片材。
如图2B中所示，将压机205的板彼此紧贴压制。在压制期间，粉末状PTC材料的粒子变形并且彼此共混，直到形成具有均匀厚度的PTC材料的PTC片材210b。例如，对于2-3μm的PTC粒度、25μm的涂覆厚度、400cm2的板面积和5500PSI的压力来说，可以将PTC材料的粒子压制为具有约25μm的厚度T(图2D)的PTC片材。
在一些实施方案中，可以在粉末状PTC材料的压制之前和/或期间向粉末状PTC材料施加热量。例如，可以将粉末状PTC材料加热至聚合物熔化温度的温度。
回到图1，在方块110，如图2C中所示，可以使PTC片材210b冷却，然后从压机205中移出。在一些实施方案中，可以将退火工艺应用于PTC片材210b以改善聚合物结晶度和聚合物应力松弛。
在方块115，在一些实施方案中，可以将一个或多个导电层涂覆至PTC片材210b。例如，可以在电流预期在其之间流动的表面上形成导电层如镍箔或不同导电材料。在将PTC片材210b紧贴一个或多个导电基板压制的情况下，可以不需要在该方块中的操作。
在方块125，可以将PTC片材210b切成切片。然后，可以将切片用于所需应用中。例如，切片可以用作电池中的保护层(参见以下所述的图6)。在空间珍贵的情况下，切片可以用于需要针对过电流/过温状态的保护的不同应用中。
图3是示出了通过上述方法形成的厚度为约48μm的PTC片材的性能特性的图表。PTC片材包含碳化钨和聚乙烯。如示出的，在低于120℃的温度下，横跨PTC片材的电阻小于约.01欧姆。在大约120℃下，电阻突然升高至约30欧姆。
图4示出了用于制造超薄PTC片材的第二示例性操作组。在方块400，可以形成PTC墨溶液。在一个实施方案中，通过将导电填料材料和聚合物材料在溶剂中混合而形成溶液。导电填料可以包括金属、金属陶瓷、碳或具有类似导电特性的不同材料的导电粒子。每个导电粒子的D50粒度可以具有在0.1μm至50μm之间的范围。就此而言，可以基于筛分析结果计算粒度分布，创建相对于筛目尺寸保留的累积质量的S-曲线，并且计算针对10％、50％和90％质量的截距。D50对应于具有50％质量的粒度。
聚合物填料可以以粒状或粉末形式提供，并且可以包括半晶体聚合物如聚偏二氟乙烯、聚乙烯、乙烯四氟乙烯、乙烯-乙酸乙烯酯、乙烯丙烯酸丁酯或具有类似特性的不同材料的粒子。每个聚合物粒子的尺寸可以具有在1μm至1000μm之间的中值直径。
溶剂可以对应于二甲基甲酰胺、N-甲基-2-吡咯烷酮、四氢呋喃、三氯苯、二氯苯、二甲基乙酰胺、二甲亚砜、环己烷、甲苯或能够溶解所选择的聚合物基质的不同溶剂。在一些实施方案中，可以将添加剂如抗氧化剂、粘合促进剂、抗电弧材料或不同添加剂加入至溶液中以改善PTC片材的特性，如聚合物稳定性、电压能力(voltage capability)或膜粘合性。
在方块405，将PTC墨涂覆在表面或基板上。例如，如图5A中所示，可以将PTC墨510a倒在或喷到表面505上。可以在PTC墨510a上拨拉刮板515以制备具有所需厚度的均匀的PTC墨510a层。均匀的PTC墨510a层的厚度可以在约5μm至130μm之间。
在方块410，如图5B中所示，使PTC墨510a干燥，此时溶剂从溶液中蒸发，留下具有均匀层的PTC片材510b。PTC片材510b的最终厚度T(图5C)可以在约5μm至130μm之间。在一些实施方案中，可以将退火工艺应用于PTC片材510b以改善PTC的ATH或热自动补偿高度(autotherm height)(即，电阻变化的数量级)行为。例如，可以将PTC片材510b在约两小时内加热至120℃，然后使其缓慢冷却。
图6是示出了通过图4中的上述方法(包括所述退火工艺)形成的厚度为约15μm的PTC片材510b的性能特性的图表。在上述方法中使用的导电填料材料是碳化钨。所使用的聚合物填料是聚偏二氟乙烯。聚合物填料与导电填料材料的体积比是约1.1:1。如示出的，在低于100℃的温度下，横跨PTC片材的电阻是约1000欧姆以下。在高于100℃时电阻突然升高至约1x1010欧姆。
回到图4，在方块415，可以将导电层涂覆至PTC片材510b。在电流预期在PTC片材510b的顶部和底部表面之间流动的情况下，可以在PTC片材510b的顶部和底部表面上形成导电层如镍箔或不同导电材料。
在方块425，可以将PTC片材510b切成切片。然后，可以将切片用于所需应用中。例如，切片可以用作电池中的保护层(参见以下所述的图6)。在空间珍贵的情况下，切片可以用于需要针对过电流/过温的保护的不同应用中。
图7示出了用于使用图4的方法大量生产超薄PTC片材的示例性装置700。装置包括包裹在使钢带710旋转的一对滚筒周围的钢带710。将PTC墨715a倒入漏斗712中，其将PTC墨715a引导至旋转的钢带710上。选择在漏斗712的底部开口和带710之间的距离以及漏斗712的底部开口的形状以形成具有所需厚度的均匀的PTC墨715b层。
带710将均匀的PTC墨715b层牵拉通过在装置700的外壁702和带710之间限定的通道。将干燥空气720注入至在外壁702中的第一开口714中。干燥空气720流过通道，在均匀的PTC墨715b层上方流动，并且从在外壁702中限定的第二开口716中流出。选择气流的速率和带710的速度，使得均匀的PTC墨715b层干燥并且在均匀的PTC墨715b层到达装置700的抽取开口718时形成具有均匀厚度的PTC片材715c。连续的PTC片材715c从抽取开口718流出并且可以前进至其他站点以用于进一步加工。例如，可以进行另外的干燥。可以提供用于将PTC片材715c退火、切割和镀覆的站点。
图8示出了示例性电池800，其仅示出了通过上述方法中的任一种形成的超薄PTC片材/层的许多用途中的一种。示例性电池800包括阳极和阴极导电层805ab、锂电解质层810ab、隔板层815和PTC层820。PTC层820设置在阳极层805a和第一锂电解质层810a之间。在这种构造中，PTC层820与电池800有效串联，使得任何流过电池800的电流必然流过PTC层820。在过电流/过温状态期间，PTC层820的电阻增加，从而降低流过其余层的电流。以这种方式，PTC层820保护电池800。
示例性电池800包括阳极和阴极导电层805ab、锂电解质层810ab、隔板层815和PTC层820。PTC层820设置在阳极层805a和第一锂电解质层810a之间。在这种构造中，PTC层820与电池800有效串联，使得任何流过电池800的电流必然流过PTC层820。在过电流/过温状态期间，PTC层820的电阻增加，从而降低流过其余层的电流。以这种方式，PTC层820保护电池800。
图9A-9C示出了PTC装置的示例性独立式实施方案900a-c，其结合了通过上述方法中的任一种形成的超薄PTC片材/层905。在第一示例性实施方案900a中，可以在PTC片材905的顶部和底部表面上形成导电层905ab。在这个实施方案中，预期电流流过PTC片材905的最薄部分。可以在不同装置的层如电池的层之间追溯地应用这样的实施方案，以提供过电流/过温保护。
在第二和第三示例性实施方案中，可以在PTC片材905的前后表面上形成导电层910ab。(参见图9B)或者可以在PTC片材905的左右表面上形成导电层915ab。(参见图9C)。在第二和第三实施方案中，预期电流流过PTC片材905的纵向截面中的一个。将导电层放置在另一个表面上和/或放置在任何给定表面的不同区域上有利于控制流过PTC片材905的电流的方向，这在某些应用中可能是有利的。
尽管已经参照某些实施方案描述了用于制造超薄PTC片材的方法，但是本领域技术人员应当理解，可以在不脱离本申请的权利要求的精神和范围的情况下做出各种改变并且对等同物进行替换。可以在不脱离权利要求的范围的情况下做出其他改进以使具体情况或材料适应以上公开的教导。因此，权利要求不应被解释为限制为所公开的具体实施方案中的任何一个，而是限制为落在权利要求的范围内的任何实施方案。

Claims (17)

1.一种用于制造正温度系数(PTC)材料片材的方法，所述方法包括：
提供PTC材料；
将所述PTC材料研磨为粉末；
将研磨的PTC材料插入至压机中；
压制所述研磨的PTC材料，直到所述PTC材料限定平面形状；和
从所述压机中移出压制的PTC材料。
2.根据权利要求1所述的方法，其中研磨所述PTC材料以制备具有约0.1μm至50μm的中值直径的PTC粒子。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述PTC材料包含导电填料和聚合物树脂，其中所述导电填料包括下列各项中的一种或多种：金属、金属陶瓷、碳碳化钨、镍、碳和碳化钛，并且所述聚合物树脂包括下列各项中的一种或多种：半晶体聚合物—含氟聚合物如(聚偏二氟乙烯、乙烯四氟乙烯)、乙烯-乙酸乙烯酯、和乙烯丙烯酸丁酯、聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氨酯、聚醚醚酮。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述导电填料包含导电粒子，所述导电粒子具有不规则、球形、纤维、薄片或树枝状形状和0.1μm至50μm的D50粒度。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述压制的PTC材料具有小于130μm的厚度。
6.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括提供基板并且将所述研磨的PTC材料紧贴所述基板压制，使得所述PTC材料形成在所述基板的表面上的平面层。
7.一种用于制造正温度系数(PTC)材料片材的方法，所述方法包括：
将导电填料和溶解的聚合物混合为PTC墨溶液；
将所述PTC墨溶液铺展在平面表面上；和
将所述PTC墨溶液干燥，从而提供限定平面形状的PTC材料。
8.根据权利要求7所述的方法，所述方法还包括将干燥的PTC材料从所述平面表面剥离并且将所述PTC材料切割为所需形状。
9.根据权利要求7所述的方法，其中所述平面表面与导电基板对应，其中所述方法还包括将所述PTC材料与所述导电基板切割为所需形状。
10.根据权利要求7所述的方法，其中将所述导电填料和所述溶解的聚合物混合包括将所述导电填料和所述溶解的聚合物与溶剂混合，其中所述溶剂包括下列各项中的一种或多种：二甲基甲酰胺、和n-甲基-2-吡咯烷酮、四氢呋喃、三氯苯、二氯苯、二甲基乙酰胺、二甲亚砜、环己烷、甲苯。
11.根据权利要求7所述的方法，其中所述导电填料包括导电粒子，所述导电粒子具有不规则、球形、纤维、薄片、树枝状形状和0.1μm至50μm的尺寸，并且所述溶解的聚合物包括聚合物粒子，所述聚合物粒子具有粉末、球粒或珠粒形式并且具有0.1μm至1mm的尺寸。
12.根据权利要求7所述的方法，其中所述导电填料包括下列各项中的一种或多种：碳化钨、镍、碳、和碳化钛、金属、金属陶瓷碳，并且所述溶解的聚合物包括下列各项中的一种或多种：聚偏二氟乙烯、聚乙烯、乙烯四氟乙烯、乙烯-乙酸乙烯酯、乙烯丙烯酸丁酯、四氢呋喃、三氯苯、二氯苯、二甲基乙酰胺、二甲亚砜、环己烷和甲苯。
13.根据权利要求7所述的方法，其中干燥的PTC材料具有小于130μm的厚度。
14.一种正温度系数(PTC)装置，所述装置包含：
导电填料；和
聚合物树脂；
其中所述PTC装置包括第一和第二相对表面，其中所述第一和第二相对表面之间的距离小于130μm。
15.根据权利要求14所述的PTC装置，所述装置还包括设置在所述第一和第二相对表面中的至少一个上的导电基板。
16.根据权利要求14所述的PTC装置，其中所述导电填料包括下列各项中的一种或多种：碳化钨、镍、碳、和碳化钛、金属、金属陶瓷碳，并且所述聚合物树脂包括下列各项中的一种或多种：聚偏二氟乙烯、聚乙烯、乙烯四氟乙烯、乙烯-乙酸乙烯酯和乙烯丙烯酸丁酯。
17.根据权利要求14所述的PTC装置，所述装置还包括设置在第三和第四相对表面上的导电基板。
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