TWI401703B - 過電流保護元件 - Google Patents

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Description

過電流保護元件
本發明係關於一種過電流保護元件。
由於具有正溫度係數(Positive Temperature Coefficient；PTC)特性之導電複合材料之電阻對溫度變化具有反應敏銳的特性，可作為電流感測元件之材料，目前已被廣泛應用於過電流保護元件或電路元件上。由於PTC導電複合材料在正常溫度下之電阻可維持極低值，使電路或電池得以正常運作。但是，當電路或電池發生過電流(over-current)或過高溫(over-temperature)的現象時，其電阻值會瞬間提高至一高電阻狀態(至少102 Ω以上)，而將過量之電流降低，以達到保護電池或電路元件之目的。
一般而言，PTC導電複合材料係由一種或一種以上具結晶性之聚合物及導電填料所組成，該導電填料係均勻分散於該聚合物之中。該聚合物一般為聚烯烴類聚合物，例如：聚乙烯，而導電填料一般為碳黑、金屬粒子(例如鎳、金或銀等)或無氧陶瓷粉末(例如碳化鈦或碳化鎢等)。
該導電複合材料之導電度，係由導電填料的種類及含量而定。一般而言，由於碳黑表面呈凹凸狀，與聚烯烴類聚合物的附著性較佳，所以具有較佳的電阻再現性，由於碳黑材料不易氧化，在純氧、高溫或高濕等環境下均能表現良好的穩定性。然而，碳黑所能提供的導電度較金屬填料低，因此採用金屬填料取代碳黑已成為未來之趨勢，然而金屬填料容易氧化，在純氧、高溫或高濕等環境下，容易在表層產生金屬氧化物，導致阻值大幅上升。例如鎳金屬粒子表面會產生氧化鎳層，銀金屬粒子表面產生氧化銀層，另外，金屬填料比重較大，分散較不均勻，另又以鎳金屬填料為例，由於該材料因為具有弱磁性，填料粒子間更容易產生凝聚不易分散的問題。
為有效降低過電流保護元件的電阻值，並且避免材料分散不均，故逐漸趨向於金屬粒子材料系統中以添加一非導電之陶瓷粉末或填料，藉由該陶瓷填料與高分子以及金屬粒子於材料混合時的摩擦力與填充特性，可以大幅改善材料之分散特性，做為導電複合材料之固體分散劑。但又由於金屬粉末不似碳黑具有凹凸表面，且金屬粉末表面無明顯之化學官能基，因此其與聚烯烴類等聚合物的附著性較碳黑差，導致其電阻再現性也較難控制。為增加聚烯烴類聚合物及金屬粒子之間的附著性，金屬粒子填料之導電複合材料會另添加一耦合劑，以加強聚烯烴類聚合物與金屬粒子之間的作用力與附著性，大幅度減少複合材料內之孔隙，並提升電阻再現性。
本發明係提供一種過電流保護元件，藉由加入一具特定粒徑分佈之導電鎳金屬填料、非導電氮化金屬填料及至少一具低熔點之結晶性高分子聚合物，而使該過電流保護元件具有優異之低電阻值、低溫快速觸發(trip)、耐電壓特性及電阻再現性。且提供包括特定環氧樹脂高分子材料之包覆材料層，以增加材料之抗氧化及降低材料之透氣與透水性。
本發明一實施例之過電流保護元件包含二金屬箔片、一PTC材料層以及一包覆材料層。PTC材料層係疊設於該二金屬箔片之間，且體積電阻值小於0.1Ω-cm。PTC材料層包含(i)複數個結晶性高分子聚合物，其包含至少一具熔點低於115℃之結晶性高分子聚合物；(ii)一導電鎳金屬填料，體積電阻值小於500μΩ-cm；及(iii)一非導電氮化金屬填料。其中導電鎳金屬填料及非導電氮化金屬填料係散佈於該複數個結晶性高分子聚合物之中。
一實施例中，金屬箔片含瘤狀(nodule)突出之粗糙表面，並與該PTC材料層直接物理性接觸。導電鎳金屬填料可為粉末狀，且粒徑大小主要係介於0.01μm至30μm之間，較佳粒徑大小係介於0.1μm至15μm之間。導電鎳金屬填料之體積電阻值小於500μΩ-cm，且均勻分散於該複數個結晶性高分子聚合物之中。複數個結晶性高分子聚合物可選自：高密度聚乙烯、低密度聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯或聚氟乙烯等。為了達到低溫快速觸發(trip)之保護功能，該PTC材料層中至少包含一熔點低於115℃之結晶性高分子聚合物。
為了保護鋰離子電池過充電的安全，運用在鋰離子電池之過電流保護元件必須在較低溫就能有觸發(trip)反應，因此PTC材料層係選用較低熔點的聚烯烴類聚合物(例如低密度聚乙烯、聚乙烯蠟、乙烯聚合物)、烯烴類單體與壓克力類單體之共聚合物(例如乙烯-壓克力酸共聚合物、乙烯-壓克力脂共聚合物)或烯烴類單體與乙烯醇類單體之共聚合物(例如乙烯-乙烯醇共聚合物)等，並且可以選用一種或多種聚合物材料，但各聚合物中之最低熔點必須低於115℃。該低密度聚乙烯可用傳統Ziegler－Natta催化劑或用Metallocene催化劑聚合而成，亦可經由乙烯單體與其它單體(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。
本發明所使用之非導電氮化金屬填料係選自有阻燃效果、抗電弧效應或具潤滑特性之金屬氮化合物，例如：氮化鋁、氮化硼或氮化矽等。此非導電陶瓷粉末外型包括破碎狀、多角型、球形或片狀等，其粒徑大小主要係介於0.1μm至30μm之間，且其添加於材料系統之體積百分比是介於1%至30%之間。
目前市面上具低電阻(約20mΩ)之以金屬鎳(Ni)粒子作為導電填料之PTC導電複合材料，其可承受之電壓僅6V，主要原因在於金屬鎳粒子具有弱磁性不易分散於複合材料系統中，分散不佳的金屬粒子，將大幅降低其耐電壓特性，另外，由於鎳金屬粒子之內聚力過強，將大幅將低該複合材料之高分子加工特性。如前述，本發明加入之非導電氮化金屬填料能有效提升金屬鎳粒子之分散性，並提高材料之耐電壓與加工性。
因導電填料體積電阻值非常低(小於500μΩ-cm)，以致於所混合成的PTC材料可達到低於0.5Ω-cm的體積電阻值。一般而言，PTC材料不易達到低於0.1Ω-cm的體積電阻值，即使當PTC材料能達到低於0.1Ω-cm的體積電阻值時，常會因阻值太低而失去耐電壓之特性，然本發明的過電流保護材料中添加部份非導電氮化金屬填料，使得PTC材料層之體積電阻值可達到小於0.1Ω-cm且能承受小於等於28V之電壓，或較佳地可承受6V至28V之電壓，或最佳地可承受12V至28V之電壓，以及可承受小於等於50安培之電流。
進一步言之，當PTC材料達到低於0.1Ω-cm的體積電阻值時，常無法承受高於12V之電壓，因此本發明為了提升耐電壓性，PTC材料中係添加非導電氮化金屬填料，主要是以含有氮原子之無機化合物為主，並控制PTC材料層之厚度大於0.1mm，使得該低阻值PTC材料可以大幅提升所能承受之電壓。此無機化合物之非導電氮化金屬填料亦有控制電阻再現性之功能，能將電阻再現性比值(trip jump)R1/Ri控制在小於等於3。其中Ri是起始阻值，R1是觸發一次後回復至室溫一小時後所量測之阻值。
因為PTC材料層具有相當低的體積電阻值，所以可將PTC晶片(即本發明之過電流保護元件所需之PTC材料層)之面積縮小至小於50mm2 ，且仍然能夠達到元件低電阻的目的，最終可以從同單位面積之每片PTC材料層生產出更多的PTC晶片，使生產的成本降低。
本發明之過電流保護元件，其中該二金屬箔片可與另二金屬電極片藉著錫膏(solder)經廻焊或藉著點焊方式接合成一組裝體(assembly)，通常是成一軸型(axial-leaded)、插件型(radial-leaded)、端子型(terminal)、或表面黏著型(surface mount)之元件。本發明之過電流保護元件，其中該上下金屬箔片可連於電源而形成一導電迴路(circuit)(於另一實施例中，則可藉由該二金屬電極片連於電源而形成一導電迴路)，PTC材料層在過電流之狀況下動作，而達到保護迴路之功用。
該包覆材料層包覆PTC材料層與二金屬箔片構成之晶片。包覆材料層由環氧樹脂與具氨基化合物(amide)官能基之硬化劑反應而成。一實施例中，該環氧樹脂可選自雙酚A或雙酚F環氧樹脂，硬化劑可選自聚醯胺(polyamide)、雙氰胺(Dicyandiamide)或其他具備amide官能基之化合物。該包覆材料層至少包在晶片外側，與部分的金屬箔片。較佳地，包覆材料層中之環氧樹脂可包含非導電填充材料，該非導電填充材料比例介於2~45%，並可藉此大幅提升材料之硬度、降低透水透氧性與提升耐燃性。
以下說明本發明過電流保護元件之組成成份，包括實施例一、實施例二、實施例三、實施例四、比較例一、比較例二及相關製作過程。
本發明過電流保護元件所使用之PTC材料層之成份及重量(單位：公克)如表一所示。
其中LDPE-1係低密度結晶性聚乙烯(密度：0.924g/cm3 ，熔點：113℃)；HDPE-1係高密度結晶性聚乙烯(密度：0.943g/cm3 ，熔點：125℃)；HDPE-2係高密度結晶性聚乙烯(密度：0.961g/cm3 ，熔點：131℃)；非導電氮化金屬填料係用96.9wt%純度之氮化硼(BN)，或氮化鋁(AlN)或氮化矽(Si3 N4 )，並另包含鎳(Ni)或碳黑(Carbon black)等導電填料。其中鎳(Ni)之平均粒徑大小係介於0.1~15μm，粒徑縱橫比(aspect ratio)小於10。
製作過程如下：將批式混鍊機(Haake－600)進料溫度定在160℃，進料時間為2分鐘，進料程序為按表一所示之重量，加入定量的結晶性高分子聚合物，攪拌數秒鐘，再加入鎳粉末(其粒徑大小係介於0.1μm至15μm之間)及非導電填料氮化硼(其粒徑大小係介於0.1μm至30μm之間)。混鍊機旋轉之轉速為40rpm。3分鐘之後，將其轉速提高至70rpm，繼續混鍊7分鐘後下料，而形成一具有PTC特性之導電複合材料。
將上述導電複合材料以上下對稱方式置入外層為鋼板，中間厚度為0.33mm及0.2mm之模具中，模具上下各置一層鐵弗龍脫模布，先預壓3分鐘，預壓操作壓力50kg/cm2 ，溫度為180℃。排氣之後進行壓合，壓合時間為3分鐘，壓合壓力控制在100kg/cm2 ，溫度為180℃，之後再重覆一次壓合動作，壓合時間為3分鐘，壓合壓力控制在150kg/cm2 ，溫度為180℃，之後形成一PTC材料層11，如圖1所示。一實施例中，該PTC材料層11之厚度為0.27mm或0.4mm(大於0.1mm或較佳地大於0.2mm)。
將該PTC材料層11裁切成20×20cm2 之正方形，再利用壓合將二金屬箔片12直接物理性接觸於該PTC材料層11之上下表面，其係於該PTC材料層11表面以上下對稱方式依序覆蓋金屬箔片12。該金屬箔片12含瘤狀(nodule)突出之粗糙表面並與PTC材料層11直接物理性接觸。接著，壓合專用緩衝材、鐡弗龍脫模布及鋼板而形成一多層結構。該多層結構再進行壓合，壓合時間為3分鐘，操作壓力為70kg/cm2 ，溫度為180℃。之後，以模具衝切形成2.8mm×3.5mm或5mm×12mm之晶片狀過電流保護元件10，再將二金屬電極片22以錫膏(solder paste)藉著迴焊方式上下連接於該二金屬箔片12上，製成軸狀式之過電流保護元件20，如圖2所示。將軸狀式電流保護元件20外側塗佈一包覆材料層30(參圖3)，該包覆材料層30係選用體積百分比55% Epon 828環氧樹脂(shell公司)以及體積百分比25% V-40 polyamide硬化劑(shell公司)與體積百分比20%二氧化矽無機填充物(cabot公司)混合而成，再將外圍塗佈完成之元件於125℃烘烤硬化。
申言之，該環氧樹脂包含雙酚A環氧樹脂或雙酚F環氧樹脂。另，硬化劑係具有amide官能基，例如聚醯胺(polyamide)、雙氰胺(Dicyandiamide)，或使用之官能基至少包括-NHCO-、-R-NHCO-R-，其中R為烷基、苯基、聯苯基或萘基。該環氧樹脂包覆材料中環氧樹脂之含量為體積百分比40~88%間，硬化劑之含量為體積百分比介於10~25%間。此外，該包覆材料層可另包含一非導電填充材料，例如黏土、氧化鋁、氧化矽、氧化鈦、氧化鎂、氫氧化鎂、氫氧化鋁、氮化鋁或氮化硼等無機填料，其占包覆材料之含量為體積百分比2~45%。
以下表二顯示過電流保護元件10及20之各項測試特性。
PTC材料層11之體積電阻值(ρ)可根據式(1)計算而得：
其中R為PTC材料層11之電阻值(Ω)，A為PTC材料層11之面積(cm2 )，L為PTC材料層11之厚度(cm)。將式(1)中之R以表二之實施例二之Ri(Ω)值(0.0061Ω)代入，A以2.8×3.5mm2 (=2.8×3.5×10-2 cm2 )代入，L以0.4mm(=0.04cm)代入，即可求得ρ=0.0149Ω-cm，明顯小於0.1Ω-cm。實施例一之ρ=0.0167Ω-cm，同樣明顯小於0.1Ω-cm。
將軸狀式之電流保護元件20置於80℃之環境溫度下，經6V/0.8A之電壓及電流測試(Trip Test)，以模仿在6V/0.8A過充電環境下電池升溫至80℃時之情形，該軸狀式之電流保護元件20必須能觸發以便截斷電流，以達到保護電池之目的。
表二顯示實施例一至實施例四均能觸發，可達到保護電池之目的；然不具氮化硼之比較例一卻無法在較低溫度(80℃)觸發，故不能達到保護電池之目的。另，軸狀式之電流保護元件20在6V、12V及16V的電壓下(即在過電流保護觸發狀態下)觸發之表面溫度(Surface Temperature＠ Trip State)亦顯示在表二中。其中，比較例一之表面溫度超過100℃，較實施例一至實施例四之表面溫度至少高10℃(實施例之表面溫度均低於100℃)，又比較例二使用碳黑為導電填料，其起始阻值12.3mΩ，遠大於使用鎳金屬填料之材料系統。因此實施例中之過電流保護元件可以在較低溫觸發，對溫度的反應較比較例一及比較例二迅速，且因使用鎳金屬填料，PTC材料層11之起始阻值(Ri)小於15mΩ。
本發明之過電流保護元件，藉由加入一具特定粒徑分佈之導電鎳金屬填料、非導電氮化金屬填料及至少一具低熔點(115℃以下)之結晶性高分子聚合物，經由表二之結果可知，本發明之過電流保護元件確可達到具有優異之初始電阻值(Ri小於15mΩ甚至10mΩ)、低溫(80℃)快速觸發之保護功能、耐電壓特性及電阻再現性之預期目的。
以下將具有包覆材料層及不具包覆材料層者進行實驗比較，表三顯示實驗之過電流保護元件之組成成分。
LDPE-1係低密度結晶性聚乙烯(密度：0.924g/cm3 ，熔點：113℃)；LDPE-2係低密度結晶性聚乙烯(密度：0.92g/cm3 ，熔點：105℃)；HDPE-1係高密度結晶性聚乙烯(密度：0.943g/cm3 ，熔點：125℃)；HDPE-2係高密度結晶性聚乙烯(密度：0.961g/cm3 ，熔點：131℃)；鎳(Ni)導電填料。其中鎳(Ni)之平均粒徑大小係介於0.1~15μm，粒徑縱橫比(aspect ratio)小於10。
圖4為實施例與比較例於12V的電壓下長時間作動後的阻值比較。由圖4中可以發現，有使用塗佈層(即包覆材料層)之元件，其長時間阻值變化率較低。然比較例三與比較例四於500小時長時間作動後，其阻值均大幅從0.01Ω上升至0.1Ω以上，雖然元件並無失效的狀況，但由於水氣與氧氣的滲入，導致鎳金屬產生鈍化，另外，由於缺乏包覆材料層的保護，元件長時間作動後，發生高分子鬆弛劣化的情形。然而，本發明之實施例五和實施例六，由於採用包覆材料結構，在長時間作動後，元件阻值均可維持在0.1Ω以下，產品信賴性因此大幅提升，並同時可達到保護電池之目的。
綜言之，為有效提升金屬粒子的抗氧化特性，可藉由於晶片外圍塗佈一環氧樹脂/amide硬化劑之材料，該樹脂中另添加非導電填充材料，環氧樹脂amide樹脂能減少水氣與氧氣的通過量。例如前述之非導電無機填料可增加樹脂之硬度，限制PTC元件於作動時的體積膨脹，提升PTC作動後之回復性，另外，非導電無機填料可增長氧氣通過的路徑，藉此降低材料之透氣與透水性，其中又以奈米級與片狀無機填料最為有效。
本發明之技術內容及技術特點已揭示如上，然而熟悉本項技術之人士仍可能基於本發明之教示及揭示而作種種不背離本發明精神之替換及修飾。因此，本發明之保護範圍應不限於實施例所揭示者，而應包括各種不背離本發明之替換及修飾，並為以下之申請專利範圍所涵蓋。
10．．．電流保護元件
11．．．PTC材料層
12．．．金屬箔片
20．．．電流保護元件
22．．．金屬電極片
30．．．包覆材料層
圖1至3係本發明一實施例之過電流保護元件之示意圖；以及
圖4係有包覆及未包覆材料之過電流保護元件之比較圖。
20．．．過電流保護元件
11．．．PTC材料層
12．．．金屬箔片
22．．．金屬電極片
30．．．包覆材料層

Claims (19)

  1. 一種過電流保護元件，包含：二金屬箔片；以及一PTC材料層，係疊設於該二金屬箔片之間，且體積電阻值小於0.1Ω-cm，其包含：(i)複數個結晶性高分子聚合物，其包含至少一具熔點低於115℃之結晶性高分子聚合物；(ii)一導電鎳金屬填料，其粒徑大小係介於0.1μm至15μm之間，體積電阻值小於500μΩ-cm；及(iii)一非導電氮化金屬填料；其中該導電鎳金屬填料及非導電氮化金屬填料散佈於該複數個結晶性高分子聚合物之中；一包覆材料層，包覆該二金屬箔片及PTC材料層，且包含與硬化劑反應形成之環氧樹脂，該硬化劑具氨基化合物官能基。
  2. 根據請求項1所述之過電流保護元件，其中該PTC材料層之厚度大於0.1mm。
  3. 根據請求項1所述之過電流保護元件，其中該PTC材料層之起始電阻值係小於15mΩ。
  4. 根據請求項1所述之過電流保護元件，其中該具熔點低於115℃之結晶性高分子聚合物包含聚烯烴類聚合物。
  5. 根據請求項4所述之過電流保護元件，其中該聚烯烴類聚合物包括低密度聚乙烯或聚乙烯蠟。
  6. 根據請求項1所述之過電流保護元件，其中該具熔點低於115℃之結晶性高分子聚合物包含烯烴類單體與壓克力類單體之共聚合物。
  7. 根據請求項1所述之過電流保護元件，其中該具熔點低於115℃之結晶性高分子聚合物包含烯烴類單體與乙烯醇類單體之共聚合物。
  8. 根據請求項1所述之過電流保護元件，其中該非導電氮化金屬填料，包括氮化鋁、氮化硼或氮化矽。
  9. 根據請求項1所述之過電流保護元件，其中該非導電氮化金屬填料，粒徑大小係介於0.1μm至30μm之間。
  10. 根據請求項1所述之過電流保護元件，其中該非導電氮化金屬填料之體積百分比係介於1%至30%之間。
  11. 根據請求項1所述之過電流保護元件，其另包含二金屬電極片，該二金屬電極片分別連接該二金屬箔片。
  12. 根據請求項1所述之過電流保護元件，其中該環氧樹脂包含雙酚A環氧樹脂或雙酚F環氧樹脂。
  13. 根據請求項1所述之過電流保護元件，其中該包覆材料層中環氧樹脂之含量為體積百分比40~88%間。
  14. 根據請求項1所述之過電流保護元件，其中該硬化劑使用之官能基至少包括-R-NHCO-R-，其中R為烷基、苯基、聯苯基或萘基。
  15. 根據請求項1所述之過電流保護元件，其中該硬化劑包含聚醯胺或雙氰胺。
  16. 根據請求項1所述之過電流保護元件，其中該包覆材料層中硬化劑之含量為體積百分比介於10~25%間。
  17. 根據請求項1所述之過電流保護元件，其中該包覆材料層另包含一非導電填充材料。
  18. 根據請求項17所述之過電流保護元件，其中該非導電填充材料包含黏土、氧化鋁、氧化矽、氧化鈦、氧化鎂、氫氧化鎂、氫氧化鋁、氮化鋁或氮化硼。
  19. 根據請求項17所述之過電流保護元件，其中該包覆材料層中非導電填充材料之含量為體積百分比介於2~45%。
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