可維持超大電流的ptc保護元件的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明設及一種可維持超大電流的PTC保護元件，W支持新能源汽車類動力電池 所需，具有超低電阻、高的電壓承受能力且在具有超大維持電流的同時可W實現(xiàn)低觸發(fā)溫 度。
【背景技術】
[0002] 具有電阻正溫度系數(shù)的導電復合材料在正常溫度下可維持極低的電阻值，且具有 對溫度變化反應敏銳的特性，即當電路中發(fā)生過電流或過高溫現(xiàn)象時，其電阻會瞬間增加 到一高阻值，使電路處于斷路狀態(tài)，W達到保護電路元件的目的。因此可把具有電阻正溫度 系數(shù)的導電復合材料連接到電路中，作為電流傳感元件的材料。此類材料已被廣泛應用于 電子線路保護元器件上。
[0003] 2010年3月我國"兩會"期間，新能源汽車的支持政策再次地成為市場關注的焦 點。動力電池電動汽車在2010~2014年快速成長。除新能源汽車的發(fā)展，動力電池組、儲 能電池組的應用拓展到照明、蓄能、不間斷電源、移動通訊、便攜式電動工具、電動玩具等行 業(yè)中。電池組正常工作放電可達25~150A，電壓最小可達30V。故目前市面采用的保護元 件均是一次性保險絲，發(fā)生故障后，難W更換。而目前可恢復性的PTC型的電池保護元件所 能承受的電壓僅為6~24V，可維持電流最大僅有IOA;已遠不能滿足動力電池組和儲能電 池組的安全發(fā)展需求。

【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明目的在于：提供一種可維持超大電流的PTC元件，具有超低電阻特性，可承 受不低于30V的電壓，其常溫維持電流達200~300A，從而滿足現(xiàn)有的動力電池組和儲能電 池組發(fā)展的安全要求，開拓現(xiàn)有PTC元件的應用范圍。 陽0化]本發(fā)明目的通過下述方案實現(xiàn)：一種可維持超大電流的PTC保護元件，包含第一 外接導電金屬引腳、第二外接導電金屬引腳和設于該第一和第二外接導電金屬引腳之間的 電阻正溫度效應忍片（PTC)，所述的PTC保護元件電阻低于2.OmQ，其中， (a)至少一具有電阻正溫度效應的忍片，該忍片是由電阻正溫度效應復合材料層、緊 密結合在電阻正溫度效應復合材料層表面的第一電極錐W及緊密結合在電阻正溫度效應 復合材料層另一相對表面的第二電極錐構成厚度在0. 2mm~2.Omm的電阻正溫度效應忍 片，所述的電阻正溫度效應復合材料層包含至少一種結晶性高分子材料和至少一種分散于 該結晶性高分子材料的導電填料，該導電填料的體積電阻率低于200yQ.cm、熱導率大于 IOW/(m.K)、粒徑0.Iym~30Jim且〇5。不大于20Jim，所述的電極錐為金屬或金屬合金錐 片，其體積電阻率低于10yQ.cm、熱導率不低于IOOW/(m.K)、厚度在1.Oum~lOOum，其中， 熱導率優(yōu)選高于150W/ (m.K)，更優(yōu)高于200W/ (m.K); 導電填料占電阻正溫度效應復合材料的體積百分比介于25%~85%，優(yōu)選百分比為 30〇/〇~70〇/〇。
[0006] (b)至少一導電金屬引腳體積電阻率低于10yQ.cm,熱導率不低于100W/(m.K)， 厚度在0. 2mm~5. 0mm，與具有電阻正溫度效應的忍片電氣連接。
[0007] 本發(fā)明中，所述導電填料的體積電阻率不大于200yQ.cm,優(yōu)選電阻率低于 100yQ.cm;熱導率大于IOW/ (m.K)，優(yōu)選大于20W/ (m.K);粒徑〇5。不大于20um，優(yōu)選粒徑 小于1Sum。
[0008] 本發(fā)明中所述電極錐采用金屬或金屬合金為基材，其體積電阻率低于10yQ.cm, 優(yōu)選體積電阻率低于8yQ.cm。
[0009] 本發(fā)明可承受的最大電壓在30~120V，同時可維持電流在30~300A。
[0010] 在上述方案基礎上，所述的電阻正溫度效應忍片厚度在0. 2mm~2. 0mm，優(yōu)選 0. 30~1. 0mm，更優(yōu)為 0. 35~0. 8mm。
[0011] 所述的電阻正溫度效應復合材料層選用聚乙締、氯化聚乙締、氧化聚乙締、聚氯乙 締、下二締-丙締臘共聚物、丙締臘-下二締-苯乙締共聚物、聚苯乙締、聚碳酸醋、聚酷胺、 聚對苯二甲酸乙二醇醋、聚對苯二甲酸下二醇醋、聚苯酸、聚苯硫酸、聚甲醒、酪醒樹脂、聚 四氣乙締、四氣乙締-六氣丙締共聚物、聚立氣乙締、聚氣乙締、馬來酸酢接枝聚乙締、聚丙 締、聚偏氣乙締、環(huán)氧樹脂、乙締-醋酸乙締共聚物、聚甲基丙締酸甲醋、乙締-丙締酸共聚 物中的一種及其混合物。
[0012] 所述的電阻正溫度效應復合材料中聚合物的體積分數(shù)可W為15、20、25、30、35、 40、45、50、55、60、65、70 或 75〇/〇。
[0013] 所述導電填料選自碳納米管、金屬粉末、導電陶瓷粉末中的一種及其混合物，其 中， 所述金屬粉末選自銅、儀、鐵、鶴、錫、銀、金、銷或其合金中的一種及其混合物； 所述導電陶瓷粉末選自金屬氮化物、金屬碳化物、金屬棚化物、金屬娃化物之中的一種 或幾種的混合物。
[0014] 所述的電阻正溫度效應復合材料中導電填料的體積分數(shù)可W為25、30、35、40、45、 50、55、60、65、70、75、80 或 85〇/〇,其粒徑可W為 0. 1、0. 5、1、2、3、4、5、6、7、8、9、或10^111。
[0015] 進一步的，所述的電極錐基材為金、銀、銅、鋒、侶及其合金，或在所述的電極錐基 材表面復合有其他金屬鍛層。
[0016] 所述的金屬引腳的基材為金、銀、銅、鋒、侶及其合金，或在所述的金屬引腳的基材 表面復合有其他金屬鍛層。金屬引腳厚度大于0. 2mm，優(yōu)選高于0. 3mm。
[0017] 導電金屬引腳可W通過電鍛、化學鍛、印刷、浸焊、點焊、回流焊連接在金屬錐片 上，從而將PTC元件連接進電路中。導電金屬引腳包括任何能與金屬錐片導通的結構部件， 它可W是任何形狀，例如，帶狀、片狀、柱狀、其他不規(guī)則形狀及它們的組合體。
[0018] 本發(fā)明的可按下述方法進行制備： 將結聚合物、導電填料投入混合設備，在高于聚合物烙融溫度W上的溫度下進行捏合。 混合設備可W是轉矩流變儀、密煉機、開煉機、單螺桿擠出機或雙螺桿擠出機。然后將烙融 混合好的聚合物加工成為片材，運可W通過擠出成型、模壓成型或開練機薄通拉片來實現(xiàn)。 一般來說，聚合物片材的厚度為0. 1~2.Ornm,優(yōu)選為0. 2~1.Ornm,為了加工的方便更優(yōu)為 0. 4 ~0. 8mm。
[0019] 復合制品的成型方法是在聚合物片材的兩面壓合金屬錐片，當運種復合制品被分 割成單個元件時，金屬錐片起電極的作用。把復合制品分割成單個元件的方法包括從復合 制品上分離出單個元件的任何方法，例如沖切、刻蝕、劃片和激光切割。所述單個元件具有 平面形狀，即有與電流流過方向垂直的兩個表面，且兩個表面之間的距離相當薄，即至多 2.Omm,優(yōu)選地是至多1. 2mm，特別優(yōu)選的是最多0. 7mm，例如0. 4mm。
[0020] 所述單個元件可W是任何形狀，如正方形、=角形、圓形、矩形、環(huán)形、多邊形或其 它不規(guī)則形狀。金屬錐片包含至少一粗糖表面且此粗糖表面與聚合物片材直接物理性 接觸。金屬錐的厚度一般至多為0. 1mm，優(yōu)選至多為0. 07mm，特別是至多0. 05mm，例如， 0. 035mm。適用的金屬錐片包括金、銀、銅、鋒、侶及其合金。
[0021] 通?？山柚宦?lián)或熱處理的方法來提高PTC元件性能的穩(wěn)定性。
[0022] 交聯(lián)可W是化學交聯(lián)或福照交聯(lián)，例如可利用交聯(lián)促進劑、電子束福照或C〇60福 照來實現(xiàn)。PTC元件所需的福照劑量一般小于lOCMrad，優(yōu)選為1~5(Mrad，更優(yōu)為1~ 20Mrad。
[0023] 熱處理可W是退火、熱循環(huán)、高低溫交變，例如80°C /-40°C高低溫交變。所述退火 的溫度環(huán)境可W是PTC材料層基材分解溫度W下的任何溫度，例如高于導電復合材料基材 烙融溫度的高溫退火和低于導電復合材料基材烙融溫度的低溫退火。
[0024] 本發(fā)明的PTC元件，其在25°C的電阻率小于0. 1Q.cm,優(yōu)選小于0. 05Q.cm,最優(yōu) 為小于0. 02Q.cm,因此本發(fā)明的PTC元件在25°C的電阻很低，低于2mQ。
[0025] 本發(fā)明的優(yōu)越性在于：本發(fā)明的導電復合材料導電性能好，由于具有超低電阻特 性，可承受不低于30V的電壓，其常溫維持電流達200~300A，從而滿足現(xiàn)有的動力電池組和 儲能電池組發(fā)展的安全要求，開拓現(xiàn)有PTC元件的應用范圍。由本發(fā)明方法制備的PTC元 件性能更穩(wěn)定，具有很低的室溫電阻率和較高的耐電壓等級。
【附圖說明】
[0026] 圖1為PTC忍片的結構示意圖； 圖2為可維持超大電流的PTC元件圖； 圖中標號說明： 11一一電阻正溫度效應復合材料層； 121、122--上、下金屬電極錐； 131、132--上、下導電金屬引腳。
【具體實施方式】
[0027] W下通過具體的實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。 陽0測實施例1 如圖1為PTC忍片的結構示意圖和圖2為可維持超大電流的PTC元件圖所示，一種可 維持超大電流的PTC保護元件，包含第一外接導電金屬引腳、第二外接導電金屬引腳和設 于該第一和第二外接導電金屬引腳之間的電阻正溫度效應忍片（PTC)，所述的PTC保護元 件電阻低于2.OmQ,其中， (a)至少一具有電阻正溫度效應的忍片，該忍片是由電阻正溫度效應復合材料層11、緊 密結合在電阻正溫度效應復合材料層11上、下表面的第一、二電極錐即上、下金屬電極錐 121、122構成厚度在0. 2mm~2.Omm的電阻正溫度效應忍片，所述的電阻正溫度效應復合材 料層11由體積分數(shù)為42%的高密度聚乙締和分散于該結晶性高分子材料的導電填料碳化 鐵固溶體構成，該導電填料粒徑小