[发明专利]过电流保护元件

说明书

技术领域

本发明涉及一种过电流保护元件。

背景技术

由于具有正温度系数(Positive Temperature Coefficient；PTC)特性的导电复合材料的电阻对温度变化具有反应敏锐的特性，可作为电流感测元件的材料，目前已被广泛应用于过电流保护元件或电路元件上。由于PTC导电复合材料在正常温度下的电阻可维持极低值，使电路或电池得以正常工作。但是，当电路或电池发生过电流(over-current)或过高温(over-temperature)的现象时，其电阻值会瞬间提高至一高电阻状态(至少102Ω以上)，而将过量的电流降低，以达到保护电池或电路元件的目的。

一般而言，PTC导电复合材料由一种或一种以上具结晶性的聚合物及导电填料所组成，该导电填料均匀分散于该聚合物之中。该聚合物一般为聚烯烃聚合物，例如：聚乙烯，而导电填料一般为碳黑、金属粒子(例如镍、金或银等)或无氧陶瓷粉末(例如碳化钛或碳化钨等)。

该导电复合材料的导电度是由导电填料的种类及含量而定。一般而言，由于碳黑表面呈凹凸状，与聚烯烃聚合物的附着性较佳，所以具有较佳的电阻再现性。然而，碳黑所能提供的导电度较金属填料低，因此采用金属填料取代碳黑已成为未来的趋势，然而金属填料比重较大，分散较不均匀。另，以镍金属填料为例，由于该材料因为具有弱磁性，填料粒子间更容易产生凝聚不易分散的问题。为有效降低过电流保护元件的电阻值，并且避免材料分散不均，故逐渐趋向于金属粒子材料系统中以添加一非导电的陶瓷粉末或填料，通过该陶瓷填料与高分子以及金属粒子于材料混合时的摩擦力与填充特性，可以大幅改善材料的分散特性，作为导电复合材料的固体分散剂。但又由于金属粉末不似碳黑具有凹凸表面，且金属粉末表面无明显的化学官能基，因此其与聚烯烃等聚合物的附着性较碳黑差，导致其电阻再现性也较难控制。为增加聚烯烃聚合物及金属粒子之间的附着性，金属粒子填料的导电复合材料会另添加一耦合剂，以加强聚烯烃聚合物与金属粒子之间的作用力与附着性，大幅度减少复合材料内的孔隙，并提升电阻再现性。

发明内容

本发明提供一种过电流保护元件，通过加入一具特定粒径分布的导电镍金属填料、非导电氮化金属填料及至少一具低熔点的结晶性高分子聚合物，而使该过电流保护元件具有优异的低电阻值、低温快速触发(trip)、耐电压特性及电阻再现性。

本发明一实施例的过电流保护元件包含二金属箔片及一PTC材料层。PTC材料层叠设于该二金属箔片之间，且体积电阻值小于0.1Ω-cm。PTC材料层包含(i)多种结晶性高分子聚合物，其包含至少一熔点低于115℃的结晶性高分子聚合物；(ii)一导电镍金属填料，体积电阻值小于500μΩ-cm；及(iii)一非导电氮化金属填料。其中导电镍金属填料及非导电氮化金属填料散布于该多种结晶性高分子聚合物之中。

一实施例中，金属箔片含瘤状(nodule)突出的粗糙表面，并与该PTC材料层直接物理性接触。导电镍金属填料可为粉末状，且粒径大小主要介于0.01μm至30μm之间，较佳粒径大小介于0.1μm至15μm之间。导电镍金属填料的体积电阻值小于500μΩ-cm，且均匀分散于该多种结晶性高分子聚合物之中。该多种结晶性高分子聚合物可选自：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。为了达到低温快速触发(trip)的保护功能，该PTC材料层中至少包含一种熔点低于115℃的结晶性高分子聚合物。

为了保护锂离子电池过充电的安全，运用在锂离子电池的过电流保护元件必须在较低温就能有触发(trip)反应，因此PTC材料层选用较低熔点的聚烯烃聚合物(例如低密度聚乙烯、聚乙烯蜡、乙烯聚合物)、烯烃单体与压克力单体的共聚合物(例如乙烯-压克力酸共聚合物、乙烯-压克力酯共聚合物)或烯烃单体与乙烯醇单体的共聚合物(例如乙烯-乙烯醇共聚合物)等，并且可以选用一种或多种聚合物材料，但各聚合物中的最低熔点必须低于115℃。该低密度聚乙烯可用传统Ziegler-Natta催化剂或用Metallocene催化剂聚合而成，亦可经由乙烯单体与其它单体(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。

本发明所使用的非导电氮化金属填料选自有阻燃效果、抗电弧效应或具润滑特性的金属氮化合物，例如：氮化铝、氮化硼或氮化硅等。此非导电陶瓷粉末外型包括破碎状、多角型、球形或片状等，其粒径大小主要介于0.1μm至30μm之间，且其添加于材料系统的重量比是介于1％至30％之间。