TWI629703B - 保護元件、電氣裝置、2次單電池及墊圈 - Google Patents
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Abstract
本發明係提供一種保護元件,其係具有:PTC層狀要素,其係藉由PTC組成物所形成,具有至少1個貫穿開口部;導電性金屬薄層,其係位於層狀要素的各主表面上;及保險層,其係位於定義該至少1個貫穿開口部的側面上,將各主表面上的導電性金屬薄層作電性連接。本發明之保護元件係可一面可流通較大的電流,一面提供對過量電流的保護。
Description
本發明係關於保護電氣裝置的保護元件,更詳言之,係關於保護電氣裝置所包含的電氣要素或電路的保護元件。例如關於在如2次電池般的電氣裝置內流動過量電流時,遮斷該電流流動的保護元件,亦即過電流保護元件。
以當圓筒型鋰離子2次電池充電或放電時流動過量電流時,遮斷該電流流動的保護元件而言,使用溫度保險絲元件、電流保險絲元件、聚合物PTC(positive temperature coefficient:正溫度係數)元件等。其中,聚合物PTC元件係可組入在2次電池的封口板來作配置,因此尤其在藉由許多2次電池所構成的電池包會變得較為精簡方面較為有用。但是,市面販售的PTC元件與金屬相比較為電阻值較大,因此與使用由金屬所構成的保險絲元件的情形相比,較不利於將較大電流通電的情形。
考慮如上所示之問題,提出有在圓筒型鋰離子2次單電池中,例如在封口板的內側,使用間隔件來取代PTC元件(參照下述非專利文獻1)。但是,若使用間隔件,會有無法確保對過量電流的保護的問題。
此外,作為2次電池所使用之保護元件的保險絲元件係在電
阻值低、可流通較大電流方面較為有利。但是,保險絲元件係配置在電池側面或電池間的連接部,而非直接配置在單電池內部,因此在電池組變大方面為較不利。此外,保險絲元件係若在電路流通過量電流時發生燒斷(blow)(熔斷),因此遮斷過量電流的流動而保護電路,但是一旦燒斷時,即不可能使用作為單電池方面亦較為不利。
【非專利文獻1】 Matsushita Technical Journal Vol. 52 No. 4 Aug. 2006 pp31-35
因此,本發明所欲解決之課題在提供可一面流通較大的電流,一面提供對過量電流的保護,甚至具有在消除過量電流的原因之後的復原性的保護元件。
在第1要旨中,本發明係提供一種保護元件,其係具有以下而成:PTC層狀要素,其係藉由PTC組成物所形成,具有至少1個貫穿開口部;導電性金屬薄層,其係位於PTC層狀要素的各主表面上;及保險層(fuse layer),其係位於定義該至少1個貫穿開口部的側面上,將各主表面上的導電性金屬薄層作電性連接。
在第2要旨中,本發明係提供具有上述及後述之本發明之保護元件所成之電氣裝置,例如2次電池。
本發明之保護元件係具有藉由PTC組成物所形成的PTC層狀要素而成,該PTC層狀要素係具有至少1個貫穿開口部。該開口部係沿著PTC層狀要素的厚度方向延伸而貫穿PTC層狀要素,與該厚度方向呈垂直的方向的剖面形狀並未特別限定,但是以例如圓形為佳。但是,亦可為其他形狀,例如正方形、菱形、長方形、橢圓形。貫穿開口部的數量為至少1個。亦即,可為1個或2個以上,例如2個、3個、4個、5個,但是可按照保護元件所被要求的保護的程度來適當選擇。若具有1個貫穿開口部時,貫穿開口部係以位於PTC層狀要素的中心部,亦即與厚度方向呈垂直的方向的剖面形狀的中心部為佳。
構成PTC層狀要素的PTC組成物若為例如包含導電性填料的聚合物材料(例如在分散狀態下含有碳黑粒狀物質的高密度聚乙烯),將顯示PTC特性之聚合物組成物形成為層狀者,例如押出成形者,則可為本身為已知者,只要是可使用在本發明之保護元件者,並未特別限定。具體而言,可為例如日本特表平10-501374號公報所記載之元件所使用之顯示PTC特性的聚合物組成物。
上述PTC層狀要素的厚度並未特別限定,例如0.1~0.7mm,較佳為0.2~0.6mm。若PTC層狀要素的厚度超過0.7mm時,難以組入在既有的2次電池內。此外,若PTC層狀要素的厚度未達0.1mm時,難以利用押出成形來製造,由安定性及成本的觀點來看較為不利。
該PTC層狀要素係具有被配置在其兩側之主表面上的導電
性金屬薄層而成。該導電性金屬薄層若為具有導電性的金屬較薄的層(例如厚度為0.1μm~100μm程度),則未特別限定,可藉由例如銅、鎳、鋁、金等金屬所構成,亦可藉由複數金屬薄層所形成。
導電性金屬薄層位於各主表面上的PTC層狀要素係可藉由將構成該PTC層狀要素的PTC組成物,與構成金屬薄層的金屬薄片(或金屬箔)一起同時押出,而得在金屬薄片(或金屬箔)之間夾住PTC組成物的狀態的押出物來製造。在其他態樣中,亦可例如藉由押出而得PTC組成物的層狀物,將該層狀物夾在金屬薄片(或金屬箔)之間,將該等一體進行熱壓接而得壓接物來製造。如上所示之押出物(或壓接物)係可在兩側之主表面具有導電性金屬薄層之PTC層狀要素有許多個鄰接而呈集合的狀態,將押出物(或壓接物)裁切成預定的形狀、尺寸,而得單一之具有導電性薄層的PTC層狀要素。
此外,在其他態樣中,亦可藉由對PTC層狀要素施行導電性金屬的鍍敷,在兩側之主表面上形成導電性金屬薄層。此時亦較佳為獲得如上所述之集合狀態者,之後分割成個別的PTC層狀要素。
如上所示,若進行鍍敷時,PTC層狀要素係將其他金屬層,尤佳為金屬箔,例如與上述同樣地押出或熱壓接在其主表面,藉此預先使其他金屬層密接在PTC層狀要素為尤佳。此時,以在該其他金屬層之上,藉由鍍敷來形成導電性金屬薄層為佳。藉由鍍敷來形成該導電性金屬薄層時,作為導電性金屬薄層的鍍敷層,在可密接於與PTC層狀要素相密接的其他金屬層方面較為有利。例如,本發明之保護元件係在PTC層狀要素的兩側主表面具有鎳箔或鎳鍍敷銅箔作為其他金屬層,具有藉由鎳鍍敷,較佳為
藉由鎳鍍敷及錫鍍敷所形成之導電性金屬薄層及保險層。
PTC層狀要素的形態若為厚度方向的尺寸小於其他尺寸,較佳為相當小者(例如薄片狀形態),則未特別限定。PTC層狀要素的平面形狀(由正上方觀看層狀要素時的圖形,例如第二圖所示之保護元件的輪廓形狀)或與PTC層狀要素的厚度方向呈垂直的方向的剖面形狀,以具有在幾何學上形成為線對稱及/或點對稱的形狀,例如圓形、正方形、長方形、菱形、環狀(尤其圓環狀,所謂甜甜圈狀)等形狀的主表面為佳。
其中亦以PTC層狀要素為環狀,以圓環狀為尤佳。若為環狀,中央的開口部,例如圓環狀時的中央的圓形開口部亦可為本發明之貫穿開口部。此外,PTC層狀要素亦可在定義環形狀的內側周與外側周之間的部分(例如其中間部),具有1個或1個以上的追加的貫穿開口部,例如剖面為圓形的貫穿開口部。
本發明之保護元件係具有位於定義如上所示之至少1個貫穿開口部的側面上,且將位於PTC層狀要素之兩側主表面的導電性金屬薄層作電性連接的保險層。
以形成上述保險層的金屬而言,若為導電性,則未特別限定,列舉例如Ni、Cu、Ag、Au、Al、Zn、Rh、Ru、Ir、Pd、Pt、Ni-P合金、Ni-B合金、Sn、Sn-Ag合金、Sn-Cu合金、Sn-Ag-Cu合金、Sn-Ag-Cu-Bi合金、Sn-Ag-Cu-Bi-In合金、Sn-Ag-Bi-In合金、Sn-Ag-Cu-Sb合金、Sn-Sb合金、Sn-Cu-Ni-P-Ge合金、Sn-Cu-Ni合金、Sn-Ag-Ni-Co合金、Sn-Ag-Cu-Co-Ni合金、Su-Bi-Ag合金Sn-Zn合金、Sn-In合金、Sn-Cu-Sb合金、Sn-Fe合金、Zn-Ni合金、Zn-Fe合金、Zn-Co合金、Zn-Co-Fe合金、Sn-Zn合金、Ni-Au合
金、Pd-Ni合金及Sn-Bi合金。
上述保險層的厚度並未特別限定,以例如0.001~0.02mm為佳,較佳為0.002~0.015mm。若保險層的厚度未達0.001mm,難以成形均一的鍍敷層,可能產生針孔等。另一方面,若保險層的厚度超過0.02mm,鍍敷成形的時間及成本會變大。若在如上所示之情形下,係以藉由使貫穿開口部的數量增加來調整元件特性為佳。
此外,上述保險層亦可包含熔點相互不同的2個金屬層,亦即由高熔點金屬所形成之第1金屬層、由低熔點金屬所形成之第2金屬層。若積層上述金屬層時,積層順序並未限定,可按照製品要求等來適當設定。例如,若要求抗腐蝕性時,可將形成最外層的金屬設為Ni等。此外,該金屬層係以被積層為佳,惟並非限定於此,只要各個金屬層將位於PTC層狀要素之兩側主表面的導電性金屬薄層作電性連接,各個金屬層即可個別形成。例如可在貫穿開口部的半周形成1個層,剩下的半周形成其他層。
以上述高熔點金屬而言,並未限定,列舉例如Ni、Cu、Ag、Au、Al、Zn、Sn、Ni-Au合金、Ni-P合金、Ni-B合金。上述第1金屬層係以藉由將該高熔點金屬進行無電解鍍敷而形成為佳,但是並非限定於此。
以上述低熔點金屬而言,並未限定,列舉例如Sn、Sn-Ag合金、Sn-Cu合金、Sn-Ag-Cu合金、Sn-Ag-Cu-Bi合金、Sn-Ag-Cu-Bi-In合金、Sn-Ag-Bi-In合金、Sn-Ag-Cu-Sb合金、Sn-Sb合金、Sn-Cu-Ni-P-Ge合金、Sn-Cu-Ni合金、Sn-Ag-Ni-Co合金、Sn-Ag-Cu-Co-Ni合金、Su-Bi-Ag合金及Sn-Bi合金,以Sn、Sn-Cu合金及Sn-Bi合金為佳,以Sn為較佳。上述低熔點金屬較佳為具有低於構成PTC層狀要素的PTC組成物的聚合物材料的分解
溫度的熔點的導電性金屬。藉由使用具有低於構成PTC層狀要素的PTC組成物的聚合物材料的分解溫度的熔點的導電性金屬,若流通過量電流時,保險層在達到聚合物材料的分解溫度之前即被切斷,可防止聚合物材料分解。絕緣性樹脂的分解溫度係指絕緣性樹脂熱分解的溫度,可藉由例如示差熱熱重量同時測定裝置(TG-DTA)來測定。例如,若絕緣性樹脂為高密度聚乙烯,發現在空氣中在300~550℃之間階段式的重量減少,尤其在400℃以上會發生急遽的重量減少。亦即,400℃為分解溫度。上述第2金屬層較佳為藉由在上述第1金屬層上,將上述低熔點金屬進行電解鍍敷而形成,但是並非限定於此。
上述保險層中的第1金屬層與第2金屬層的比率(厚度比)若可得所希望的特性,則未特別限定,例如1:100~5:1,較佳為1:25~3:5,更佳為1:25~3:10。
此外,保險層係除了第1金屬層及第2金屬層以外,亦可另外含有1個以上的其他金屬層。形成該其他金屬層的金屬的熔點可與形成第1金屬層的金屬及形成第2金屬層的金屬的熔點為相同,亦可為不同,但是較佳為其他金屬層的熔點為第2金屬層的熔點以上的溫度,更佳為第1金屬層的熔點以下及第2金屬層的熔點以上的溫度。
本發明並未受到任何理論的限制,本發明之保護元件被認為如下所述遮斷過量電流。若過量電流欲由其中一方主表面上的導電性金屬薄層朝向另一方主表面上的導電性金屬薄層流通時,過量電流優先在與PTC要素相比電阻較低的保險層流動的結果,保險層會因所產生的焦耳熱而熔斷。結果,原流至保險層的過量電流會流至PTC層狀要素,但是因焦耳熱而
形成為高溫的PTC層狀要素的電阻值激增(以下將該狀態稱為跳脫),藉此遮斷過量電流。此外,本發明之保護元件係當保險層被熔斷時,電流即轉流至PTC層狀要素,因此抑制伴隨保險層熔斷的電弧發生,因此耐電壓優異。此外,本發明之保護元件係即使在保險層熔斷後仍具有復原性,該復原性在消除過量電流的原因,並且溫度下降時,PTC層狀要素的電阻值降低,保護元件的電阻值恢復至接近初期的值。
此外,本發明並未受到任何理論的限制,若保險層包含第1金屬層及第2金屬層時,過量電流欲由其中一方主表面上的導電性金屬薄層朝向另一方主表面上的導電性金屬薄層流通時,過量電流會優先在與PTC層狀要素相比電阻值較低的保險層流動的結果,首先,由低熔點金屬所成之第2金屬層會因所產生的焦耳熱而熔斷,原在第2金屬層流動的電流轉流至第1金屬層,流至第1金屬層的電流會增大,第1金屬層快速熔斷。保險層包含3層以上的金屬層的情形下亦與上述同樣地,最初熔點最低的金屬層熔斷,電流轉流至剩餘的金屬層,流至該等金屬層的電流會增大。接著,如上所示之熔斷與轉流依序反覆,藉此保險層快速熔斷,過量電流迅速且確實地被遮斷。
若保險層由高熔點金屬,例如Ni所成時,可輕易加大保護元件的額定容量,該保險層係可在流通超出額定容量的2倍,例如超出4倍的過量電流時遮斷過量電流。此外,若保險層包含第1金屬層及第2金屬層時,即使在流動保護元件的額定容量的1.2~4倍、較佳為1.5~2.0倍等較低倍率的過量電流的情形下,也是最初第2金屬層會熔斷,原在保險層全體流動的電流會集中在第1金屬層的結果,第1金屬層迅速被切斷,因此抑制電弧發
生,可迅速且確實地遮斷過量電流。
在本發明之保護元件中,至保險層熔斷為止,通常由其中一方主表面上的導電性金屬薄層朝向另一方主表面上的導電性金屬薄層去的電流係主要透過比PTC要素為電阻較低的保險層來流動。保險層熔斷後,該電流係透過PTC要素流動,本發明之保護元件係可作為PTC元件而反覆使用。
若設置1個在側面上具有保險層的貫穿開口部時,PTC層狀要素較佳為圓形或其他適當之原本沒有孔洞的平板形狀,在其中心部(如平面形狀為圓形(亦即圓板狀)之PTC層狀要素般存在如上所示之中心部時)設置貫穿開口部(亦稱為「中心貫穿開口部」)。結果,PTC層狀要素嚴謹而言具有環形狀。在如上所示之具有環形狀的PTC層狀要素的一方主表面的導電性金屬薄層流通的電流係朝向貫穿開口部的一方端部流動,之後,通過保險層,由貫穿開口部的另一方端部在PTC層狀要素的另一方主表面的導電性金屬薄層上以放射狀流動。
如上所示在PTC層狀要素設置1個貫穿開口部的態樣中,與之後詳加說明之設置複數個貫穿開口部的態樣相比較,以將更大的貫穿開口部設在環狀要素的中心部來作為中心貫穿開口部為佳,且在該貫穿開口部的側面上設置保險層。如上所示之保護元件係可減小電阻值,因此可適於使用在流通大容量電流(較佳為大於20A的電流,例如30~40A或比其大的電流,例如50A)時。此外,由於僅設置1個貫穿開口部,因此保護元件的製造較為簡單。
在較佳態樣中,PTC層狀要素係如第二圖或第五圖中所示,
為藉由內側周30及外側周34所定義的圓環狀。定義PTC層狀要素的內側周的圓的直徑較佳為例如6~16mm,定義該外側周的圓的直徑較佳為例如13~24mm。以流通30~40A的電流時的保護元件而言,內側周的圓的直徑較佳為例如6.5mm,保險層的厚度較佳為例如0.01mm。
若設置複數個貫穿開口部時,較佳為以通過PTC層狀要素的電流儘可能均等地在各貫穿開口部的保險層流動的方式配置貫穿開口部。例如,在具有中心貫穿開口部的圓環狀PTC層狀要素的周狀部分(亦即藉由內側周與外側周所定義的PTC層狀要素的本體部分),設置複數個具有相同剖面形狀及尺寸的貫穿開口部(亦稱為「周邊貫穿開口部」)即可,此時,關於定義圓環的內側周的圓的中心,以等角度設置貫穿開口部為佳。例如,每180°設置1個共有2個、每120°設置1個共有3個、每90°設置1個共有4個、每60°設置1個共有6個貫穿開口部。但是,按照保護元件的使用條件,PTC層狀要素亦可僅具有1個周邊貫穿開口部。因此,周邊貫穿開口部的數量亦可為例如1~6。
定義圓環狀PTC層狀要素的內側周的圓,亦即中心貫穿開口部的剖面圓的直徑與其他貫穿開口部,亦即周邊貫穿開口部的直徑相比為相同或比其為小時,亦可在定義如上所示之中心貫穿開口部的側面亦設置保險層。相反地,若中心貫穿開口部的剖面圓的直徑大於周邊貫穿開口部的剖面圓的直徑時,以在中心貫穿開口部未設置保險層為佳。
是否如上所示在中心貫穿開口部設置保險層,係依在設在保護元件之各貫穿開口部的保險層流動的電流是否實質上成為等量來判斷。簡言之,若中心貫穿開口部具有大於周邊貫穿開口部的圓形剖面時,若在
中心貫穿開口部設置保險層,在保護元件流動的電流係容易在該保險層流動,電流的大部分在該保險層流動,電流難以在設在具有較小圓形剖面的其他貫穿開口部的保險層流動,因此在其他貫穿開口部設置保險層並不太具有意義。
在1個較佳態樣中,PTC層狀要素係藉由外側周及內側周所定義的環狀PTC要素,藉由內側周面定義貫穿開口部,此外,其他貫穿開口部亦可貫穿PTC層狀要素的內部,亦即貫穿定義PTC層狀要素的內側周與外側周之間(亦即定義PTC層狀要素的PTC組成物的部分)而存在作為周邊貫穿開口部。因此,此時,在PTC層狀要素存在藉由內側周所定義的中心貫穿開口部(1個)及貫穿PTC層狀要素的本體部分中的至少1個貫穿開口部(對應上述周邊貫穿開口部)。
在該態樣中,保險層係存在於定義周邊貫穿開口部的側面(亦即壁)上。中心貫穿開口部的直徑與周邊貫穿開口部的直徑沒有太大差別,若保險層存在於中心貫穿開口部,若預測在該保險層,電流與周邊貫穿開口部的保險層相同地流通時,亦可在中心貫穿開口部設置保險層。中心貫穿開口部的直徑大於周邊貫穿開口部的直徑,若保險層存在於中心貫穿開口部時,若預測比周邊貫穿開口部的保險層遠為大量的電流在該保險層流動時,即沒有在周邊貫穿開口部設置保險層的意義,因此在中心貫穿開口部未設置保險絲。
因此,在具有複數貫穿開口部的環狀PTC層狀要素,例如具有圓環狀PTC層狀要素的保護元件的1個態樣中,中心貫穿開口部並未具有保險層,在其周圍具有以周狀配置的複數個周邊貫穿開口部。設置周邊貫
穿開口部之周通常為1層為較佳,但是亦可視情形而為複數層的周,例如2層的周或3層的周。如上所示,僅在周邊貫穿開口部設置保險層的態樣,係可按照所設置的周邊貫穿開口部的數量來控制保護元件的電阻值。因此,與僅在上述之中心貫穿開口部設置保險層的態樣相比較,具有藉由僅改變所設置的貫穿開口部的數量,即可容易且精密地改變保護元件的電阻值的優點。
周邊貫穿開口部係若PTC層狀要素為環形狀,例如圓環狀時,關於PTC層狀要素的中心,以對稱位置較佳。若複數個周邊貫穿開口部存在時,例如在環狀要素的中心,亦即定義內側周的圖形,例如圓的中心的周圍,以等角度,例如每180° 1個共存在2個、每120° 1個共存在3個、每90° 1個共存在4個為佳。
在具體態樣中,中心貫穿開口部(未設置保險層)的直徑為6~16mm,其周圍的周邊貫穿開口部(設置保險層)的剖面圓的直徑為0.2~1mm。在如上所示之態樣中,PTC層狀要素的外徑係以例如13~24mm為佳。以流通20~30A的電流時的保護元件而言,較佳為例如設置8個直徑0.6mm的周邊貫穿開口部,保險層的厚度為例如0.008mm。
其中,在任何態樣中,貫穿開口部係具有任何適當的其他剖面形狀,通常以具有圓形剖面為佳。在其他態樣中,亦可為正方形、長方形、菱形、三角形等。此時,上述直徑係與其他剖面形狀的相當直徑相對應。
因此,以對應所假想的過量電流量而熔融的方式,選擇貫穿開口部的剖面形狀、貫穿開口部的大小(通常為直徑)及其厚度方向的長
度、保險層的金屬材料及該層的厚度、以及貫穿開口部的數量及配置等各種因素,如預定選擇其數值等。該選擇若為該領域中熟習該項技術者,關於該等因素,可藉由例如反覆試驗和失敗來實施。
在1個較佳態樣中,導電性金屬薄層及保險層藉由導電性金屬的鍍敷,較佳為藉由高熔點金屬的鍍敷及低熔點金屬的鍍敷,更佳為藉由Ni鍍敷及Sn鍍敷而一體形成。在該態樣中,保險層係由第1金屬層(Ni鍍敷)及第2金屬層(Sn鍍敷)所構成。如上所示導電性金屬薄層及保險層一體形成時,將具有貫穿開口部的PTC層狀要素以導電性金屬進行鍍敷,藉此可將導電性金屬薄層及保險層同時且一體形成,因此較為有利。亦即,保險層與導電性金屬薄層係以相同種類的金屬形成。以形成保險層及導電性金屬薄層的鍍敷法而言,係可使用電解鍍敷或無電解鍍敷法。
在尤佳的態樣中,在PTC層狀要素與導電性金屬薄層之間,存在預先與PTC層狀要素相密接的金屬箔,較佳為鎳箔或鎳鍍敷銅箔。此時,作為鍍敷層所形成的導電性金屬薄層可與金屬箔相密接,結果具有導電性金屬薄層透過金屬箔而強固地與PTC層狀要素相結合的優點。
本發明之保護元件係為了保護應保護的電路或構成該電路的電氣要素,為了將第1電氣要素(例如2次電池)及作為其他電氣要素的第2電氣要素(例如充電器)直接或間接作電性連接而位於該等之間,結果,其中一方導電性金屬薄層係直接或間接與第1電氣要素相接觸,另一方導電性金屬薄層係與第2電氣要素直接或間接相接觸。因此,本發明亦提供本發明之保護元件、以及具有藉由該保護元件而作電性連接的電路及/或電氣要素而成之電氣裝置。
本發明之保護元件係在由PTC組成物所形成之PTC層狀要素之兩側的主表面上具有導電性金屬薄層、及將該等作電性連接的保險層,一面可藉由由低電阻的導電性金屬所形成的保險層來流通較大的電流,一面流通過量電流時,係電流優先流至保險層,結果,保險層因所產生的焦耳熱而熔斷,原在保險層流通的電流會流至PTC要素,但是因焦耳熱而形成為高溫的PTC要素會跳脫,藉此可遮斷電流流動。此外,本發明之保護元件係當保險層被熔斷時,電流會轉流至PTC要素,因此抑制伴隨保險層之熔斷的電弧發生,因此耐電壓優異。此外,本發明之保護元件即使在保險層熔斷之後仍具有復原性,該復原性在消除過量電流的原因,並且溫度下降時,保護元件的電阻值恢復成接近初期的值。
10、10’‧‧‧保護元件
12‧‧‧中心貫穿開口部
14‧‧‧周邊貫穿開口部
16‧‧‧PTC層狀要素
18、20‧‧‧主表面
22、24‧‧‧導電性金屬薄層
26、28‧‧‧其他金屬層
30‧‧‧內側周
32‧‧‧保險層
34‧‧‧外側周
36‧‧‧本體部分
38‧‧‧側面
40‧‧‧保險層
41‧‧‧第1金屬層
42‧‧‧第2金屬層
43‧‧‧第1金屬層
44‧‧‧第2金屬
第一圖係以沿著厚度方向的剖面圖來概略顯示本發明之保護元件。
第二圖係以俯視圖概略顯示第一圖所示之保護元件。
第三圖係以剖面圖概略顯示第一圖及第二圖所示之保護元件之較佳態樣中的保險層。
第四圖係以沿著厚度方向的剖面圖來概略顯示本發明之其他態樣的保護元件。
第五圖係以俯視圖概略顯示第四圖所示之保護元件。
第六圖係以剖面圖概略顯示第四圖及第五圖所示之保護元件之較佳態樣中的保險層。
參照圖示,更加詳細說明本發明之保護元件。第一圖中以沿著厚度方向的剖面圖來概略顯示本發明之保護元件之1個態樣(以A表示呈現為切剖面的部分),此外,在第二圖中以俯視圖概略顯示第一圖所示之保護元件。此外,第三圖中以剖面圖概略顯示第一圖及第二圖所示之保護元件之較佳態樣中的保險層。
圖示之保護元件10係具有藉由PTC組成物所形成的圓環狀PTC層狀要素16而成,該圓環狀PTC層狀要素16具有至少1個貫穿開口部,在圖示之態樣中係具有剖面圓形的中心貫穿開口部12及剖面圓形的周邊貫穿開口部14的2個貫穿開口部。具有位於PTC層狀要素16的兩側的主表面18及20上的導電性金屬薄層22及24。其中,在圖示之態樣中,在PTC層狀要素16與導電性金屬薄層之間存在其他金屬層26及28。
在圖示之態樣中,在定義中心貫穿開口部的圓環的內側周30上,亦即圓環的內側的側面上並不存在保險層。在圖示之態樣中,在定義位於圓環的內側周30與外側周34之間的PTC層狀要素的本體部分36的周邊貫穿開口部14的圓周狀側面38上存在保險層40。
在較佳態樣中,如第三圖所示,保險層40係可包含:定義周邊貫穿開口部14的圓周狀側面38上所存在的第1金屬層41;及第1金屬層41上所存在的第2金屬層42。
在圖示之態樣中,具有保險層40的周邊貫穿開口部14係僅有1個,其沿著通過PTC層狀要素的中心O的直徑(第二圖中以虛線圖示)設在本體部分36的中間,但是沿著直徑方向,在相反側亦可設置如上所示之
周邊貫穿開口部。此時,就是在中心的周圍每隔180°設置1個共2個周邊貫穿開口部的情況。另外在其他態樣中,亦可以圓的中心O為基準,例如每120°設置1個共3個、每90°設置1個共4個、每60°設置1個共6個、或每45°設置1個共8個之以等角度設置具有保險層的周邊貫穿開口部。
其中,在圖示之態樣中,由於中心貫穿開口部的直徑遠大於周邊貫穿開口部的直徑,因此在圓環的內側周30的側面上並不存在保險層,但是若中心貫穿開口部的直徑與周邊貫穿開口部的直徑相等或較小時,亦可視需要,在圓環的內側周30的側面上設置保險層。其中,在某態樣中,若在應配置保護元件的電氣裝置設置與中心貫穿開口部相對應的凸部,會有如上所示之凸部嵌入在中心貫穿開口部的較大的直徑部分內,藉此可將保護元件定位在電氣裝置的情形。例如,可在2次單電池的封口板設置如上所示之凸部,該凸部嵌入在中心貫穿開口部,藉此可將保護元件定位在封口板。
在其他態樣中,亦可PTC層狀要素16並未具有中心貫穿開口部12(因此,PTC層狀要素為圓板形狀),僅具有至少1個周邊貫穿開口部14,其具有保險層40。
將本發明之另外其他態樣的保護元件10’與第一圖及第二圖同樣地顯示在第四圖及第五圖。此外,在第六圖與第三圖同樣地顯示第四圖及第五圖所示之保護元件的較佳態樣中的保險層32。其中,關於與第一圖~第三圖相同的要素,係使用相同的符號。在圖示之態樣中,PTC層狀要素16並未具有周邊貫穿開口部14,僅具有中心貫穿開口部12,其具有保險層32。在較佳態樣中,保險層32係可包含:定義中心貫穿開口部12的內
側周30上所存在的第1金屬層43;及第1金屬層43上所存在的第2金屬層44。
(實施例1)
製造第一圖及第二圖所示之本發明之保護元件。因此,製造出僅具有保險層40而未具有保險層32的保護元件10。但是,周邊貫穿開口部14係以周狀以等間隔形成8個。
最初準備PTC組成物(以分散狀態含有碳黑粒狀物質的高密度聚乙烯)的薄片(厚度0.3mm,對應PTC層狀要素16),在其兩側配置鎳箔(厚度:22μm,對應其他金屬層26及28),加熱下,將該等一體按壓,而得將鎳箔黏貼在兩主表面而成的壓接物。
在壓接物的預定部位形成直徑0.6mm的貫穿孔(對應周邊貫穿開口部14),之後,將壓接物交付至藉由電解法所為之Ni鍍敷處理。藉由鍍敷所形成的鎳層(對應導電性金屬薄層22及24)的厚度為約0.008mm。接著,從壓接物沖剪出圓環狀要素,而得本發明之保護元件,該本發明之保護元件之8個貫穿孔在圓環狀要素的中心的周圍每隔45°位於預定部位。
所得之圓環狀要素的外側周圓34的直徑為15mm,內側周圓30的直徑(亦即中心貫穿開口部的直徑)為6.4mm。該圓環狀要素係在PTC層狀要素16的兩側主表面具有作為其他金屬層26及28來發揮功能的鎳箔,在圓環狀部分的本體部分36的中間部分具有周邊貫穿開口部14。此外,圓環狀要素係在鎳箔上具有作為導電性金屬薄層22及24的鍍敷層,在定義周邊貫穿開口部的內側周面上具有作為保險層40來發揮功能的鍍敷層。
(實施例2)
利用藉由無電解法所為之Ni鍍敷處理,接著,藉由電解法所為之Sn鍍敷處理,進行形成貫穿孔(對應周邊貫穿開口部14)之後的鍍敷處理,而得厚度約1.5μm的鎳層(對應第1金屬層41)及厚度約6.5μm的Sn層(對應第2金屬層42),除此之外皆與實施例1同樣地做,而獲得本發明之保護元件。
(試驗例1)
由實施例1及2之保護元件之其中一方導電性金屬薄層22至另一方導電性金屬薄層24,分別流動下述表1所示之電流(60Vdc設定)。結果,保險層沒有燒斷的情形下而可將可持續流通電流10分鐘的最大電流值定義為額定容量。結果,實施例1之保護元件的額定容量為25A,實施例2之保護元件的額定容量為22.5A。
(試驗例2)
實施例1及2之保護元件之由其中一方導電性金屬薄層22至另一方導電性金屬薄層24,將以試驗例1所定義的額定容量的4倍的電流施加至各實施例的試樣(60Vdc設定),測定出電流遮斷時間。結果,保護元件的電流遮斷時間均為1秒以內。
(試驗例3)
在試驗例2中將過量電流遮斷後,停止對保護元件通電,靜置10分鐘。接著,再次由其中一方導電性金屬薄層22至另一方導電性金屬薄層24,施加6秒鐘100A(60Vdc)的電流,確認出PTC元件是否運作(跳脫)的跳脫特性。施加電流6秒鐘後,將54秒鐘設為電流(電壓)無通電,將此作為1週期,對各個試樣進行10週期。結果,確認出任何均不會起火或發煙而具有PTC特性。
將試驗例1~3的結果彙整於下述表1。
由該等結果,確認出本發明之保護元件係一面可持續性流動
20~25A之較大的電流,一面提供對過量電流的保護。此外,確認出藉由消除過量電流的原因,可再次持續性流通電流。
本發明之保護元件係若在如2次電池般的電氣裝置內流通過量電流時,可作為遮斷該電流流動的保護元件加以利用。此外,本發明之保護元件係在例如圓筒型鋰離子2次單電池中,亦可作為被組入至封口板的鎳墊圈、對不銹鋼材料施加鎳鍍敷而成的墊圈等代替品來加以利用。此時,保護元件係具有藉由聚合物PTC組成物所形成的PTC層狀要素,因此藉由樹脂的彈性,作為墊圈的功能會提升。因此,本發明之保護元件係可作為具有上述本發明之保護元件的特徵的墊圈加以利用。
Claims (13)
- 一種保護元件,其係具有以下而成:環狀PTC層狀要素,其係藉由PTC組成物所形成,在其徑向中心具有第一貫穿開口部;環狀金屬箔,位於該PTC層狀要素的各主表面上,且與該層狀要素同軸;環狀導電性金屬薄層,其係位於各金屬箔上,且與該PTC層狀要素同軸;及第一保險層,其係位於定義該第一貫穿開口部的側面上,將導電性金屬薄層作電性連接;其中該保險層包含具有一第一厚度的一第1金屬層及具有大於該第一厚度之一第二厚度的一第2金屬層。
- 如申請專利範圍第1項之保護元件,其中,該第1金屬層由高熔點金屬所成;該第2金屬層由低熔點金屬所成。
- 如申請專利範圍第2項之保護元件,其中,高熔點金屬為Ni。
- 如申請專利範圍第2項之保護元件,其中,低熔點金屬具有低於PTC組成物之聚合物材料之分解溫度的熔點。
- 如申請專利範圍第4項之保護元件,其中,低熔點金屬為Sn、Sn-Cu合金、或Sn-Bi合金。
- 如申請專利範圍第2項之保護元件,其中,第1金屬層藉由將高熔點金屬進行無電解鍍敷而形成,第2金屬層藉由在該第1金屬層上將低熔點金屬進行電解鍍敷而形成。
- 如申請專利範圍第2項之保護元件,其中,第1金屬層與第2金屬層的厚度的比為1:100~5:1。
- 如申請專利範圍第2項之保護元件,其中,導電性金屬薄層及保險層藉由將高熔點金屬及低熔點金屬進行鍍敷而一體形成。
- 如申請專利範圍第1項之保護元件,其中,金屬箔為鎳箔或鎳鍍敷銅箔。
- 如申請專利範圍第1項之保護元件,其中,PTC層狀要素包含內側周面及外側周面,該內側周面定義該第一貫穿開口部,該保護元件進一步包含位於內側周面與外側周面之間的第二貫穿開口部,該第二貫穿開口部具有配置在其側面上的第二保險層。
- 一種電氣裝置,其特徵為:具有如申請專利範圍第1項至第10項中任一項之保護元件而成。
- 一種2次單電池,其特徵為:具有如申請專利範圍第1項至第10項中任一項之保護元件而成。
- 一種墊圈,其係具有以下而成:環狀PTC層狀要素,其係藉由PTC組成物所形成,在其徑向中心具有第一貫穿開口部;環狀金屬箔,位於該PTC層狀要素的各主表面上,且與該層狀要素同軸;環狀導電性金屬薄層,其係位於各金屬箔上,且與該PTC層狀要素同軸;及第一保險層,其係位於定義該第一貫穿開口部的側面上,將導電性金屬薄層作電性連接;其中該保險層包含具有一第一厚度的一第1金屬層及具有大於該第一厚度之一第二厚度的一第2金屬層。
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