TWI590511B - Ｐｔｃ裝置及具有ｐｔｃ裝置的二次電池 - Google Patents

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Description

PTC裝置及具有PTC裝置的二次電池
本發明是關於一種PTC裝置以及具有PTC裝置而成的電氣裝置，例如關於一種二次電池。
具有包含導電性填料以及聚合物材料而成的層狀聚合物PTC元件，與在聚合物PTC元件的兩側表面配置的金屬電極而成的聚合物PTC元件，被使用在各種電氣裝置。例如，為了防止行動電話的二次電池充電時的過充電等問題，在充電二次電池的電路，係使用像那樣的PTC元件做為電路保護元件。此PTC元件經由引線(lead)配置在保護電路內，具有PTC元件以及引線而成的PTC裝置以及保護電路，被配置在正極端子的外側，將這些變成一體而構成電氣裝置，用來做為所謂「電池組」(battery pack)。電氣裝置內藏有電池組，如果內藏的電池組可以更小巧，則電氣裝置也可以更小巧。
另一方面，乾電池型的各種二次電池被使用。在此二次電池中，例如三號電池或四號電池的狀況，由於其佔有體積大而有限制，所以不配置PTC元件。
將鎳氫電池做為像那樣的乾電池型二次電池的例子，為了瞭解其內部結構，在第一圖以分解斜視圖來概略顯示。在此電池100，在正極102使用氫氧化鎳，負極104使用氫吸附合金，在這些電極之間存在隔板(separator)以及電解液。例如在放電時，被吸附在合金的氫放出電子，氫離子在電解液中從負極移動到正極。正極被連接於正極片106，這經由封口板108連接於正極端子110。
使用的電解液是以鹼為基劑，例如包含如氫氧化鉀的鉀鹽。做為其他的鹼，也有使用鈉、鋰等各種鹽的狀況。此種鹼一般是腐蝕性，正極片係暴露在像那樣的鹼的氣氛中。因此，使用在正極片的材料，必須選擇對鹼導致的腐蝕有耐性者。例如使用鎳做為正極片的材料。鎳係在鹼氣氛中形成鈍態(passive state)結果，對腐蝕有耐性。
【先前技術文獻】
【專利文獻】
【專利文獻1】特開2008-181855號公報
發明人們為了使PTC裝置及電氣裝置更小巧，該電氣裝置例如是具有PTC裝置與二次電池而成的電池組，以及乾電池型二次電池，反覆努力研究的結果，在上述乾電池型的二次電池，想到了若在該正極片106存在的空間112(在本說明書，該空間也被稱為「正極片空間」)可以配置PTC裝置，則可以將二次電池的體積變更小。又，在電池組中，想到了若在二次電池的外側所配置的PTC裝置可以配置於二次電池的內部，則可以將電池組的體積變更小。
但是，在正極片空間配置PTC裝置，或是在電池組的二次電池內配置PTC裝置，需要考慮上述鹼導致的腐蝕。關於這點而進一步反覆研究的結果找出，構成PTC裝置的各種元件之內，因二次電池的電解液所含的鹼導致容易受到腐蝕等壞影響的部分，以聚丙烯樹脂、尼龍樹脂或環氧樹脂予以覆蓋，藉此可以將像那樣的壞影響抑制在最小限度者，達成本發明的PTC裝置。
因此，在第一要旨，本發明提供一種PTC裝置，其特徵為：具有：
(1)PTC元件，具有：
(A)包含(a1)導電性填料(filler)以及(a2)聚合物材料而成的層狀聚合物PTC元件；
(B)在聚合物PTC元件的兩側表面配置的金屬電極；以及
(2)引線(lead)，至少一部分位於PTC元件的金屬電極上，被導電性材料連接於金屬電極；而成，其中，上述導電性材料的露出部分，係被包含聚丙烯樹脂、尼龍樹脂或環氧樹脂而成的保護部件所覆蓋。
構成本發明的PTC裝置的元件內，PTC元件是眾所周知者，即使在本發明，也可以用像那樣的PTC元件。引線是用來將PTC元件電性連接至特定電路的必要元件，這本身也是眾所周知者，即使在本發明，如此的引線，可以用例如鎳引線、鍍鎳不鏽鋼引線、鎳鐵合金(Kovar)引線等。
又，將PTC元件的金屬電極與引線連接的導電性材料，本身是眾所周知者，如果是可以將這些彼此電性連接的材料，則沒有特別限定，即使在本發明也可以使用像那樣的導電性材料。可以使用例如，焊料，焊料膏、導電性接著劑等。又，在PTC裝置，如此的導電性材料，為了達成連接的功能，也可以從這些原本的狀態(例如：構成組成物的元件，例如硬化性樹脂硬化前的狀態)而變化後的狀態(例如：構成組成物的元件，例如硬化性樹脂硬化後的狀態)。
本發明在下面的狀況是有用的：像那樣的導電性材料，可能因構成電池的電解液，特別是其所含有的鹼成分，例如鈉、鉀、鋰等鹼金屬的鹽及/或離子，而受到腐蝕等壞影響。特別是在像那樣的導電性材料，包含例如錫、鋅、鉛等的狀況。本發明在下面情況是特別有用的，其導電性材料，特別是用焊料，特別是用無鉛焊料膏，例如用錫、銀以及銅的合金焊料、錫以及鉍的合金焊料、錫以及銦的合金焊料等情況。
在本發明中，「聚丙烯樹脂、尼龍樹脂或環氧樹脂」，只要可解決本發明的課題，可以是一般所知的任何樹脂。例如關於聚丙烯樹脂，較佳為使用了對位(syndiotactic)性者。例如關於尼龍樹脂，較佳為使用6,6-尼龍者，而使用結晶性高者為更佳。例如關於環氧樹脂，較佳為使用特別是耐化學性優良者，使用例如環氧樹脂預聚合物(epoxy resin prepolymer)和多胺(polyamine)樹脂的兩液體混合製成的環氧樹脂。
在本發明的PTC裝置中，保護部件可以是任一適當形態。保護部件可以是例如保護塗層(coating)的形態。在這個狀況為將上述的樹脂以例如刷塗、噴濺來適用成覆蓋露出部分。較佳為依需要獲得像這樣地適用樹脂的適當形態，例如使用溶劑或用溶媒等來獲得樹脂之溶液、分散液等，將其適用，依需要將溶劑或溶媒等乾燥(例如以加熱來除去)。具體來說，在形成包含環氧樹脂的保護部件的情況，較佳為適用此形態。
在其他狀態，也可以從如上述樹脂獲得薄膜，以此薄膜包圍PTC元件，使只有引線的端部突出。也就是說，保護部件可以是包圍PTC元件的薄膜形態，或者是以兩片薄膜挾著PTC元件的形態。例如用聚丙烯樹脂薄膜，具體來說，是用雙軸延伸聚丙烯(OPP)或尼龍樹脂的薄膜，而可形成保護部件。又，聚丙烯樹脂薄膜，也可以是被稱為K-塗層薄膜(K-coat film：KOP)的層。此薄膜是在聚丙烯薄膜的單面或兩面塗佈PVDF(聚偏二氟乙烯)樹脂而成，在具有提升阻氣性的點是有效的。
在本發明的較佳狀態，層積至少一層，例如附加一或二層來用在這樣的薄膜。做為像那樣的附加層，例如，為了提昇像那樣的薄膜與PTC元件的露出部分、引線等的接著性的目的，為了提昇阻氣性的目的，及/或為了提昇加工性的目的，可以列舉例如EVA(乙烯-醋酸乙烯共聚物)層、EVOH(乙烯-乙烯醇共聚物)層、PVDF(聚偏二氟乙烯)層、PVA(聚乙烯醇)層、PVDC(聚偏二氯乙烯)層、PE(聚乙烯)層、L-LDPE(線性低密度聚乙烯)等附加層。在用如此的層積薄膜的狀況，使聚丙烯樹脂薄膜或層(例如雙軸延伸聚丙烯(OPP)層)，或尼龍樹脂薄膜或層包圍成位於從PTC元件到遠側。
PE層以及L-LDPE層，在接著性的提昇是有效的，PVA層以及PVDC層在阻氣性的提昇是有效的，EVA層在阻氣性與接著性兩者的提昇是有效的，EVOH層在阻氣性以及容易加工性是有效的。
用如上述層積薄膜的狀況，可以使用例如下列組合的樹脂層被層積的層積薄膜：
OPP/PE
OPP/L-LDPE
OPP/EVA
KOP/PE
KOP/L-LDPE
KOP/EVA
OPP/EVOH/PE
OPP/EVOH/L-LDPE
OPP/EVOH/EVA
OPP/PVA/PE
OPP/PVA/L-LDPE
OPP/PVA/EVA
再者，在其他狀態，在配置(或插入)PTC元件於鑄模的狀態，藉由將熔化狀態的上述樹脂注入鑄模的插入成形(insert molding)，也可以藉由包含如上述樹脂的保護部件將露出部分及PTC元件的大部分包圍。也就是說，保護部件也可以是如上述樹脂的成形部件，該成形部件包圍PTC元件。
在本發明廣泛的要旨中，本發明的PTC裝置是「包含聚丙烯樹脂、尼龍樹脂或環氧樹脂而成的保護部件」被配置成覆蓋PTC元件周圍的至少一部分。也就是說，像那樣的一部分是如上述導電性材料的露出部分。例如，僅實質地露出部分，或者是露出部分以及其周圍的部分被像那樣的材料覆蓋。當然，除了引線的端部分外，保護部件也可以實質地全部覆蓋PTC元件以及引線的露出部分(即，若保護部件不存在，則變成暴露在周邊氣氛的部分)。
如本發明的各種PTC裝置，在二次電池內部，特別是配置在正極片空間內，可以做為正極片發揮功能。因此，本發明在第二要旨中，提供做為電氣裝置的二次電池。像那樣的二次電池可以是乾電池型，又，也可以是包含PTC裝置於外側的電池組的形態。又，做為保護元件，只要可使用本發明的PTC裝置，本發明也提供包含像那樣的PTC裝置的其他電氣裝置。
此二次電池係其特徵在於：具有正極、負極以及配置於這些之間的隔板及電解液而成，在正極與正極端子之間，本發明的PTC裝置，更詳細地說，PTC裝置的引線直接或間接電性連接於這些。像這樣的本發明的二次電池，也可以是乾電池型，或者是在二次電池的外側具有保護電路的電池組的形態。
本發明的PTC裝置，其導電性材料的露出部分容易受到因電解質所包含的鹼導致的腐蝕影響，該導電性材料的露出部分是被「包含聚丙烯樹脂、尼龍樹脂或環氧樹脂而成的」保護部件所覆蓋，因為這些樹脂具有耐鹼性，所以PTC裝置即使配置在鹼氣氛下，保護部件仍可以抑制鹼實質地達到導電性材料，其結果是可以抑制導電性材料進而PTC元件受到因鹼導致的腐蝕影響在最小限度。
因此，即使PTC裝置被配置在二次電池包含的電解液的氣氛下，或者是即使電解液與PTC裝置偶發性地接觸，PTC裝置接受的因電解質導致的壞影響會成為最小限度，PTC裝置可做為電路保護元件發揮功能。
特別是，將PTC裝置配置在二次電池內之(可以收容PTC裝置的意義上)額外的空間內的狀況，可以節約PTC裝置所需要的空間。例如，可以將本發明的PTC裝置配置在上述二次電池的正極片空間內。
以下參照圖式來更詳細的說明本發明。
本發明的一個狀態的PTC裝置如第二圖所示。圖示的PTC裝置10具有：PTC元件22；以及引線24及26而成，該PTC元件22具有：包含導電性填料(filler)以及聚合物材料而成的層狀聚合物PTC元件12；及聚合物PTC元件的兩側表面14及16上的金屬電極(例如金屬箔電極)18及20。
引線24藉由導電性材料30電性連接於金屬電極18的一部分，引線26藉由導電性材料28電性連接於金屬電極20上的整體。其結果是在PTC元件22，導電性材料在不存在保護部件的狀況，具有在其側面部32露出的部分。
在本發明的PTC裝置10，像那樣的導電性材料的露出部分是被包含聚丙烯樹脂、尼龍樹脂或環氧樹脂而成做為保護塗層34的保護部件所覆蓋。
保護塗層可以是任一形態，在第二圖所示的狀態，做為導電性材料的露出部分的側面部32以及其上側及/或下側的比較狹窄區域被保護塗層34所覆蓋。如此的保護塗層，是藉由將保護塗層形成材料(例如環氧樹脂或包含其而成的溶液或分散液)以刷塗、噴濺等來適用於露出部分，將其硬化，更依需要藉由除去溶媒等形成。當然，保護塗層除了引線的端部分外，也可以實質地全部覆蓋著PTC元件以及引線。其狀況是保護塗層也可以與後述第四圖的薄膜(58、60)實質上是同樣的形態。
第三圖概略表示本發明的另一狀態的PTC裝置。在圖示的狀態，PTC裝置40是具有PTC元件42以及兩側引線44及46而成，此PTC裝置在其周圍具有成形部件48。又，在圖示的狀態，為了簡化，將PTC元件42做為整體來圖示，又，位於PTC元件42與引線44、46之間的導電性材料的圖示被省略。
如此的PTC裝置，是藉由導電性材料連接引線的PTC元件被預先插入鑄模，其後，實施射出成形，藉此為了覆蓋包含導電性材料的露出部分的PTC元件42的露出表面，以形成做為保護部件的成形部件48來製造，其中該射出成形將包含聚丙烯樹脂、尼龍樹脂或環氧樹脂而成的熔化狀態的成形材料，或者是將以像那樣的樹脂組成的熔化狀態的成形材料注入鑄模，並固化。但是，如第三圖所示，關於引的端部分，會變成從成形部件突出的狀態。因此，射出成形時，必須以在PTC元件的引線的端部分，成形部件不會被形成之方式來構成鑄模，而插入其中。
第四圖表示本發明的另一狀態的PTC裝置50。在圖示的狀態中，PTC裝置是具有PTC元件52以及兩側的引線54與56而成，在引線54、56的端部分突出的狀態，PTC元件被夾在兩片薄膜58及60之間。此薄膜是以包含聚丙烯樹脂、尼龍樹脂或環氧樹脂而成的的材料所形成，這些薄膜構成本發明的PTC裝置的保護部件。為了能容易理解，此薄膜58及60覆蓋導電性材料的露出部分，也覆蓋PTC元件以及引線的露出部分(但是其端部分除外)的露出表面，做為本發明的PTC裝置的保護部件發揮功能。又，與第三圖一樣，在圖示狀態中，為了簡化，將PTC元件52以整體來圖示，又，省略位於PTC元件52與引線54、56之間的導電性材料的圖示。
如此的PTC裝置，是於引線的端部分從薄膜突出的狀態，將具有被導電性材料電性連接的引線的PTC元件，挾在兩片薄膜之間的狀態下，將這些薄膜壓接成一體，例如熱壓接(即熱封)來製造。在此狀態，為了確保薄膜與PTC元件以及引線之間已提昇的接著狀態，薄膜較佳為在其內側有附加層。做為像那樣的附加層，如上所述，用EVA層、EVOH層、PVDF層為適當。
第五圖概略表示與第一圖一樣地將本發明的PTC裝置組入的本發明的二次電池。在圖示的狀態中，二次電池70其特徵在於，在正極片空間72內具有本發明的PTC裝置74，其一方的引線76的一端，經由封口板78被連接於正極端子80，其他方的引線82被連接於正極84。如此，除了代替正極片，本發明的PTC裝置被配置之外，本發明的二次電池的其他部分與公知的二次電池一樣。
在其他的狀態，本發明的二次電池是具有保護電路在其外部，並具有在二次電池的外側，例如在正極端子的外側所配置的本發明的PTC裝置而成。此狀況，在像那樣的二次電池，PTC裝置被配置在保護電路內，這些成為一體來作用成保護二次電池，二次電池、PTC裝置以及保護電路係構成電池組。如此即使是PTC裝置被配置於二次電池的外部的狀況，二次電池內的電解質稍微地洩漏時，可以抑制因電解質導致對導電性材料的壞影響。
實施例
[實施例1]
在以薄膜夾著連接引線的PTC元件的狀態(但是引線的端部分露出)熱壓接，藉此製造如第四圖所示的PTC裝置A。又，在熱壓接時，僅將從PTC元件的周圍延伸到外側的薄膜部分按壓(按壓了引線部分)成不施加力於PTC元件。
使用的薄膜為聚乙烯樹脂層與聚丙烯樹脂層的層積薄膜(厚度100μm)，以聚丙烯樹脂層成為外側的方式使用此薄膜。
又，其他條件如以下所示：
使用的PTC元件(商品名：Polyswitch，Tyco Electronics Japan G.K.製造)
引線：鎳(商品名：NB201、NEOMAX公司製造，厚度：150μm)
導電性材料：無鉛焊料(錫、銀以及銅的合金焊料)
熱壓接條件：溫度160℃～210℃，在壓力0.4MPa按壓10秒～40秒
[實施例2]
用與實施例1相同的PTC元件，藉由將聚丙烯樹脂插入成形，製造如第三圖所示的本發明的PTC裝置B。使用的聚丙烯樹脂，商品名：Prime PolyproTM，Prime Polymer Co.,Ltd.製造。保護部件以外的PTC裝置B的條件係與PTC裝置A相同。
將如此而獲得的本發明的PTC裝置A及B，在60℃、KOH水溶液(1N)中，浸漬3個月藉以來實施鹼浸漬實驗，觀察保護部件與引線的界面狀況，評估鹼的影響。又，關於浸漬後的PTC裝置，實施保持電流測試(I-V測試)。又，為了比較，關於製造PTC裝置所用的PTC元件的相同規格的其他PTC元件本身也實施同樣的測量。這些結果如以下的表所示：
表中，Rinitial是初期電阻值(單位：mΩ)，Imax是最大電流值(單位：Amps)。初期電阻值是用日置電機(HIOKI E. E. CORPORATION)製造的mΩ HiTESTER，在60℃測量。
又，鹼浸漬實驗前後，在PTC裝置A及B的保護部件與引線的界面狀況，不認為有以肉眼可目視辨別的相異點。
在上述表中，關於用於PTC裝置A及B的PTC元件的相同規格的PTC元件(但是沒有鹼浸漬)的測量結果是以PTC元件1及PTC元件2來表示，在60℃、KOH水溶液(1N)中浸漬三個月者是以鹼浸漬後來表示。
PTC元件1及2是在不受鹼影響的元件的測量值，在PTC裝置A的初期電阻值是5.3mΩ及5.7mΩ，浸漬後的初期電阻值是5.5mΩ。因此，可以說電阻值實際上沒有變化。又，Imax在PTC元件1及2是3.366A及3.047A，浸漬後是2.979A。因此，Imax實質上也沒有變化。在PTC裝置B，PTC元件1及2的初期電阻值是5.5mΩ及5.1mΩ，但浸漬後是5.0mΩ。此狀況也與之前一樣，可以說在實際上沒有變化的電阻範圍內。如果受到浸漬的影響，則推測電阻值會超過5mΩ而大幅增加。關於Imax，PTC元件1及2，分別是3.345A及2.983A，但浸漬後是3.332A。因此，這也可以說實質上沒有變化。
從這些結果來看可知，即使如本發明將保護部件設於PTC元件周圍，PTC裝置的保持電流特性實質上不會受影響。
為了確定，關於PTC裝置A，測量上述鹼浸漬實驗的前後電阻-溫度(R-T)特性。其結果如第六圖所示。又，在第六圖的曲線圖中，虛線是鹼浸漬實驗後的PTC裝置的測量結果，實線是鹼浸漬實驗前的測量結果。可知在本發明的PTC裝置，實質上不會受到鹼的影響。
【產業上的利用可能性】
本發明的PTC裝置，即使是配置於二次電池內部的額外空間，也可以將因電池內電解質造成的影響抑制在最小限度。
10、40、50、74、A、B．．．PTC裝置
12．．．聚合物PTC元件
14、16．．．表面
18、20．．．金屬電極
22、42、52．．．PTC元件
24、26、44、46、54、56、76、82．．．引線
28、30．．．導電性材料
32．．．側面部
34．．．保護塗層
48．．．成形部件
58、60．．．薄膜
70‧‧‧二次電池
72‧‧‧正極片空間
76‧‧‧引線
78、108‧‧‧封口板
80‧‧‧正極端子
84、102‧‧‧正極
100‧‧‧鎳氫電池
104‧‧‧負極
106‧‧‧正極片
110‧‧‧正極端子
第一圖：概略表示內部結構的二次電池的斜視圖。
第二圖：概略表示本發明的第一狀態的PTC裝置的剖面圖。
第三圖：概略表示本發明的另一狀態的PTC裝置的剖面圖。
第四圖：概略表示本發明的再一狀態的PTC裝置的剖面圖。
第五圖：具有本發明的PTC裝置的如第一圖所示的二次電池的斜視圖。
第六圖：表示在實施例1製造的本發明的PTC裝置A的電阻-溫度特性(R-T特性)的測量結果。
10．．．PTC裝置
12．．．聚合物PTC元件
14、16．．．表面
18、20．．．金屬電極
22．．．PTC元件
24、26．．．引線
28、30．．．導電性材料
32．．．側面部
34．．．保護塗層

Claims (6)

  1. 一種PTC裝置，具有：(1)PTC元件，具有：(A)包含(a1)導電性填料(filler)以及(a2)聚合物材料而成的層狀聚合物PTC元件；(B)在聚合物PTC元件的兩側表面配置的金屬電極；以及(2)引線(lead)，至少一部分位於PTC元件的金屬電極上，被導電性材料連接於金屬電極；而成；其特徵為：(i)上述導電性材料的露出部分，係被保護部件所覆蓋，該保護部件是薄膜，該薄膜包含層積物，該層積物含有聚丙烯樹脂、尼龍樹脂或環氧樹脂的層，以及合成乙烯樹脂(EVA)、乙烯-乙烯醇共聚物(EVOH)或聚偏二氟乙烯(PVDF)的層，該薄膜具有耐鹼性；及(ii)該PTC元件一部分露出在外。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的PTC裝置，其中導電性材料是包含錫而成。
  3. 如申請專利範圍第1或2項所述的PTC裝置，其中引線的端部分自保護部件向外突出。
  4. 一種二次電池，其特徵為具有正極、負極與配置在這兩者間的隔板以及電解液而成，在正極與正極端子之間，配置有如申請專利範圍第1至3項中任一項所述的PTC裝置。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的二次電池，係乾電池型，其中PTC裝置係被配置在正極片空間內。
  6. 一種二次電池，係電池組形態，在外側配置有如申請專利範圍第1至3項中任一項所述的PTC裝置與保護電路。
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