過電流保護裝置及使用該裝置的電池組件的製作方法

2023-05-10 19:39:46

過電流保護裝置及使用該裝置的電池組件的製作方法【專利摘要】一種過電流保護裝置及使用該裝置的電池組件，該過電流保護裝置包含一具有對立的第一及第二表面以及一周端的正溫度係數元件，分別依序地連接於該正溫度係數元件第一及第二表面的第一及第二電極層，分別依序地連接於該第一及第二電極層的第一及第二導電引線，及由一導熱係數大於1.7W/mK的散熱電絕緣材料構成的第一及第二散熱層。第一及第二導電引線各具有一第一端部及第二端部；該第一端部是與該正溫度係數元件重疊，該第二端部是由該第一端部延伸並超出該正溫度係數元件的周端；該第一及第二散熱層分別依序地連接並包覆於該第一及第二電極層及該第一及第二導電引線的第一端部。該電池組件包含該過電流保護裝置及一與該裝置電連接的電池單元。【專利說明】過電流保護裝置及使用該裝置的電池組件【
技術領域：
】[0001]本發明涉及一種過電流保護裝置及使用該裝置的電池組件，特別是涉及一種包含正溫度係數（positivetemperaturecoefficient,簡稱PTC)元件及由具有一大於1.7W/mK的導熱係數的散熱電絕緣材料（heatdissipatingandelectricallyinsulativematerial)構成的散熱層。【
背景技術：
】[0002]正溫度係數元件由於具有正溫度係數效應,而能夠作為過電流保護裝置,例如自恢復保險絲（resettablefuse)。過電流保護裝置包括一正溫度係數元件，以及形成在該正溫度係數元件的兩相對應表面上的第一及第二電極。[0003]美國專利第4,255,698號公開一種充電電池，包含多個電池單元，以及通過串聯方式與所述電池單元電連接且具有在所述電池單元充電期間對抗過電流的功能的正溫度係數裝置。[0004]參見圖1，美國專利第5,801，612號電池組件8,包含多個電池單元82、83,及一在過熱和過電流條件下保護所述電池單元82、83的正溫度係數裝置81，該正溫度係數裝置81是通過串聯方式與所述電池單元82、83電連接。該正溫度係數裝置81包括一正溫度係數元件811，及分別連接於該正溫度係數元件811的兩相對應的表面上的第一及第二電極812、813。[0005]由於充電電流越高，所述電池單元82、83可以越快完成充電，因此希望能夠將正溫度係數裝置81的保持電流（holdcurrent)提高。所謂「保持電流」（或稱為通過電流，passcurrent)是表示可以通過正溫度係數裝置而不會造成跳脫（trip)的最大穩定電流(maximumsteadycurrent)。理論上，要增加正溫度係數裝置81的保持電流可以通過增加該正溫度係數裝置81的表面積。然而，表面積的增加將無可避免地增加該電池組件8的整體尺寸，就目前電子產品微型化的趨勢來說是不利的。【
發明內容】[0006]本發明的第一目的在於提供一種可以克服如前所述的現有技術的缺點的過電流保護裝置。[0007]本發明所述過電流保護裝置，包含：[0008]-正溫度係數元件，具有對立的第一及第二表面，以及一周端；[0009]第一及第二電極層，分別依序地連接於該第一及第二表面；[0010]第一及第二導電引線，分別依序地連接於該第一及第二電極層，且分別具有一第一端部及第二端部；該第一端部是與該正溫度係數元件重疊，該第二端部是由該第一端部延伸並超出該正溫度係數元件的周端；及[0011]由一散熱電絕緣材料構成的第一及第二散熱層，分別依序地連接並包覆於該第一及第二電極層及該第一及第二導電引線的第一端部；其中，該散熱電絕緣材料具有一大於I.7W/mK的導熱係數。[0012]本發明的第一目的還可以採用以下技術手段進一步實現。[0013]該散熱電絕緣材料是選自於由下列所構成的群組：環氧類複合材料、丙烯酸類複合材料，及聚酯類複合材料。[0014]該正溫度係數元件是由一包括一導電性顆粒填充物及一高分子系統的正溫度係數組成物所形成，該高分子系統含有一主聚合物單元及一強化聚烯烴，該主聚合物單元包含一基礎聚烯烴及可選擇性的地一接枝型聚烯烴；該基礎聚烯烴具有一根據ASTMD-1238在230°C與12.6Kg壓力下所量得的介於10g/10min至100g/10min的熔流速率；該強化聚烯烴具有一根據ASTMD-1238在230°C與12.6Kg壓力下所量得的介於0·01g/10min至I.0g/10min的熔流速率。[0015]該強化聚烯烴具有一介於600,000g/mole至1，500,000g/mole間的重量平均分子量。[0016]該基礎聚烯烴具有一介於50,OOOg/mole至300,000g/mole間的重量平均分子量。[0017]該基礎聚烯烴與該強化聚烯烴為高密度聚乙烯。[0018]該接枝型聚烯烴是羧酸酐接枝的高密度聚乙烯。[0019]該導電性顆粒填充物是選自於下列所構成的群組：碳化鈦、碳化鋯、碳化釩、碳化鈮、碳化鉭、碳化鉻、碳化鑰、碳化鎢、氮化鈦、氮化鋯、氮化釩、氮化鈮、氮化鉭、氮化鉻、二矽化鈦、二矽化鋯、二矽化鈮、二矽化鎢、金、銀、銅、鋁、鎳、表面度鎳玻璃球、表面鍍鎳石墨、鈦鉭固熔體、鎢鈦鉭鉻固熔體、鎢鉭固熔體，鎢鈦鉭鈮固熔體、鎢鈦鉭固熔體、鎢鈦固熔體、鉭鈮固熔體及前述的組合。[0020]本發明的第二目的在於提供一種包含前述過電流保護裝置的電池組件。[0021]於是，本發明電池組件，包含：[0022]一電池單元；及[0023]-與該電池單元電連接的過電流保護裝置，且其包括：[0024]-正溫度係數元件，具有對立的第一及第二表面，以及一周端；[0025]第一及第二電極層，分別依序地連接於該第一及第二表面；[0026]第一及第二導電引線，分別依序地連接於該第一及第二電極層，且分別具有一第一端部及第二端部；其中，該第一端部是與該正溫度係數元件重疊，該第二端部是由該第一端部延伸並超出該正溫度係數元件的周端；及[0027]由一散熱電絕緣材料構成的第一及第二散熱層，分別依序地連接並包覆於該第一及第二電極層及該第一及第二導電引線的第一端部；[0028]其中，該散熱電絕緣材料具有一大於I.7W/mK的導熱係數。[0029]本發明的第二目的還可以採用以下技術手段進一步實現。[0030]該散熱電絕緣材料是選自於由下列所構成的群組：環氧類複合材料、丙烯酸類複合材料，及聚酯類複合材料。[0031]本發明的有益效果在於：本發明過電流保護裝置包含由導熱係數大於I.7W/mK的散熱電絕緣材料構成的第一及第二散熱層，該過電流保護裝置可以在不增加表面積的前提下，達到提升保持電流的目的。【專利附圖】【附圖說明】[0032]圖1是一示意圖，說明美國專利第5,801，612號所公開的電池組件；[0033]圖2是一部分剖面圖，說明本發明電池組件的較佳實施例；[0034]圖3是一實驗數據圖，說明在-20°C下，導熱係數與實施例1至3及比較例1至5的測試樣品的保持電流間的關係；[0035]圖4是一實驗數據圖，說明在23°C下，導熱係數與實施例1至3及比較例1至5的測試樣品的保持電流間的關係；及[0036]圖5是一實驗數據圖，說明在60°C下，導熱係數與實施例1至3及比較例1至5的測試樣品的保持電流間的關係。【具體實施方式】[0037]下面結合附圖及實施例對本發明進行詳細說明。[0038]在本發明被詳細描述前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表不。[0039]圖2說明了本發明電池組件的較佳實施例。該電池組件，包含兩個電池單元51、52,以及一以串聯的方式與所述電池單元51、52電連接的過電流保護裝置100。[0040]該過電流保護裝置100包含：一具有對立的第一及第二表面以及一周端的正溫度係數元件1，分別依序地連接於該第一及第二表面的第一及第二電極層21、22,及分別依序地連接於該第一及第二電極層21、22的第一及第二導電引線31、32,及由一散熱電絕緣材料構成的第一及第二散熱層41、42。第一及第二導電引線31、32分別具有一第一端部311、321及第二端部312、322;其中，該第一端部311、321是與該正溫度係數元件1重疊，該第二端部312、322是由該第一端部311、321延伸並超出該正溫度係數元件1的周端；及由一散熱電絕緣材料構成的第一及第二散熱層41、42,分別依序地連接並包覆於該第一及第二電極層21、22及該第一及第二導電引線31、32的第一端部311、321。該散熱電絕緣材料具有一大於I.7W/mK的導熱係數。[0041]該散熱電絕緣材料的例子包含，但不限於：熱傳導性黏合劑（thermalconductiveadhesive)、熱傳導性膠布（tape),及熱傳導性膜（film)。較佳地，該散熱電絕緣材料是選自於由下列所構成的群組：環氧類複合材料（epoxy-basedcompositematerial)、丙烯酸類複合材料（acrylic-basedcompositematerial)，及聚酯類複合材料（polyester-basedcompositematerial)〇[0042]較佳地，該正溫度係數元件1是由一包括一高分子系統12及一分散於該高分子系統12的導電性顆粒填充物11的正溫度係數組成物所形成。該高分子系統12含有一主聚合物單元及一強化聚烯烴。該主聚合物單元包含一基礎聚烯烴及可選擇性地一接枝型聚烯烴。該基礎聚烯烴具有一根據ASTMD-1238在230°C與12.6Kg壓力下所量得的介於10g/10min至100g/10min的熔流速率；該強化聚烯烴具有一根據ASTMD-1238在230°C與12.6Kg壓力下所量得的介於0·01g/10min至I.0g/10min的烙流速率。[0043]較佳地，該基礎聚烯烴具有一介於50,OOOg/mole至300,000g/mole間的重量平均分子量，以及該強化聚烯烴具有一介於600,000g/mole至1，500,000g/mole間的重量平均分子量。[0044]較佳地，該基礎聚烯烴與該強化聚烯烴為具有不同重量平均分子量的高密度聚乙烯（highdensitypolyethylene，簡稱HDPE)。[0045]較佳地，該接枝型聚烯烴是羧酸酐接枝型高密度聚乙烯。該接枝型聚烯烴是用於提升該正溫度係數元件1對該第一及第二電極層21、22的黏合力。[0046]較佳地，該主聚合物單元佔該高分子系統12重量的50至95wt%，及該強化聚烯烴佔該高分子系統12重量的5至50wt%。更佳地，該主聚合物單元佔該高分子系統12重量的75至95wt%，及該強化聚烯烴佔該高分子系統12重量的5至25wt%。[0047]較佳地，該強化聚烯烴佔該正溫度係數元件1重量的0.5至10wt%，該主聚合物單元佔該正溫度係數元件1重量的5至20wt%,該導電性顆粒填充物11佔該正溫度係數元件1重量的70至90wt%，且最佳地，該強化聚烯烴佔該正溫度係數元件1重量的0.5至6wt%，該主聚合物單元佔該正溫度係數元件1重量的9至18wt%，該導電性顆粒填充物11佔該正溫度係數元件1重量的76-90wt%。[0048]較佳地，該導電性顆粒填充物11是選自於下列所構成的群組：碳化鈦、碳化鋯、碳化釩、碳化鈮、碳化鉭、碳化鉻、碳化鑰、碳化鎢、氮化鈦、氮化鋯、氮化釩、氮化鈮、氮化鉭、氮化鉻、二矽化鈦、二矽化鋯、二矽化鈮、二矽化鎢、金、銀、銅、鋁、鎳、表面鍍鎳玻璃球(nickel-metallizedglassbeads)、表面鍛鎮石墨、欽組固溶體（Ti-Tasolidsolution)、鎢鈦鉭鉻固熔體、鎢鉭固熔體、鎢鈦鉭鈮固熔體、鎢鈦鉭固熔體、鎢鈦固熔體、鉭鈮固熔體及前述的組合。更佳地，該導電性顆粒填充物11是由鎳或二矽化鈦所形成。[0049]本發明將就以下實施例來做進一步說明，但應了解的是，該實施例僅為例示說明用，而不應被解釋為本發明實施的限制。[0050][0051]〈實施例I(El)>[0052]取4g作為該強化聚烯烴的高密度聚乙烯（購自於Ticona公司，商品型號：GHR8110,重量平均分子量600,000g/mole，在230°C、12.6kg下的M.F.I.(meltflowrate)(為0·96g/10min)、9g作為該基礎聚烯經的高密度聚乙烯（購自於FormosaplasticCorp.，商品型號：HDPE9002,重量平均分子量150,000g/mole，在230°C、12.6kg下的M.F.I為45g/10min)、9g作為該接枝型聚烯經的不飽和羧酸接枝型高密度聚乙烯（購自於Dupont公司，商品型號：MB100D，重量平均分子量80,000g/mole，在230°C、12.6kg下的M.F.I.為75g/10min),與178g作為該導電性顆粒填充物的鎳粉（購自於NovametSpecialtyProducts公司，商品型號：N525)加入一Brabender混煉機內混煉。煉溫度為200°C;攪拌速度為50rpm;加壓重量為5kg;混煉時間為10分鐘。[0053]將混煉後所得的混合物進行熱壓，以形成一厚度為0.43mm的正溫度係數元件薄片，其中熱壓溫度為200°C、熱壓時間為4分鐘、熱壓壓力為80kg/cm2。[0054]將作為第一及第二電極層21、22的兩個銅箔分別貼合於該正溫度係數元件薄片的第一及第二表面，並且於200°C、80kg/cm2下進行熱壓4分鐘以形成一三明治結構的正溫度係數層製品。將該正溫度係數層製品切割成多個尺寸為4.5mmX3.2mm的測試晶片，並將每一個測試晶片都以總輻射劑量為130kGy的鈷-60源照射。[0055]以焊接材料將第一及第二導電引線31、32分別固定於每一測試晶片的第一及第二電極層21、22。將一散熱電絕緣材料（購自於T-GlobalTechnologyCo.,Ltd.，商品型號：Li98C，具有導熱係數1.8W/mK)連接並包覆該第一及第二電極層21、22以及該第一及第二導電引線31、32的第一端部311、321，以分別形成該第一及第二散熱層41、42於該第一及第二電極層21、22上,並構成一個小型的帶式（straptype)過電流保護裝置的測試樣品。[0056]測量實施例1所製得的測試樣品的平均電阻值如表1所示。表1中，「PE/m-PE」代表該主聚合物單元的基礎聚烯烴（PE)與該接枝型聚烯烴（m-PE)，「R」代表平均電阻（ohm)。[0057]實施例1所製得的正溫度係數元件1包含2wt%強化聚烯烴、9wt%主聚合物單元(該基礎聚烯烴與該接枝型聚烯烴的重量比為1:1)與89wt%導電性顆粒填充物11。此外，所製得的高分子系統12是包含81.8wt%主聚合物單元與18.2wt%強化聚烯烴的高分子組成物。[0058][0059]實施例2及3(E2及E3)的製備方法與條件是與實施例1類似，不同處在於所使用的散熱電絕緣材料（見表1)。[0060]實施例2所用的散熱電絕緣材料是一環氧類複合材料（購自於T-GlobalTechnologyCo.，Ltd.，商品型號：A98AB，具有導熱係數2.5W/mK)。[0061]實施例3所用的散熱電絕緣材料是一包含聚酯類複合材料及金屬薄膜的複合材料（購自於T-GlobalTechnologyCo.,Ltd.，商品型號：PH3,具有導熱係數5W/mK)。[0062]測量實施例2及3所製得的測試樣品的平均電阻值如表1所示。[0063][0064]比較例I(CEl)的製備方法與條件是與實施例1類似，不同處在於比較例1不包含散熱電絕緣材料（見表1)。[0065]該正溫度係數元件1的組成是記載於表1中，並測量比較例1所製得的測試樣品的平均電阻值（如表1所示）。[0066][0067]比較例2至5(CE2至CE5)的製備方法與條件是與實施例1類似，不同處在於所使用的散熱電絕緣材料（見表1)。[0068]比較例2所用的散熱電絕緣材料是一聚酯膠布（具有導熱係數0.3W/mK)。[0069]比較例3所用的散熱電絕緣材料是一環氧類複合材料（購自於WellunionElectronicsMaterialsCo.,Ltd·，商品型號：CF-16,具有導熱係數0.6W/mK)。[0070]比較例4所用的散熱電絕緣材料是一丙烯酸類複合材料（購自於T-GlobalTechnologyCo.，Ltd.，商品型號：Li98,具有導熱係數0·95W/mK)。[0071]比較例5所用的散熱電絕緣材料是一相變化材料（購自於T-GlobalTechnologyCo.，Ltd.，商品型號：PC99,具有導熱係數I.5W/mK)。[0072]比較例2至5的正溫度係數元件1的組成記載於表1，並測量比較例2至5所製得的測試樣品的平均電阻值（如表1所示）。[0073]【權利要求】1.一種過電流保護裝置，其特徵在於：其包含：一正溫度係數元件，具有對立的第一及第二表面，以及一周端；第一及第二電極層，分別依序地連接於該第一及第二表面；第一及第二導電引線，分別依序地連接於該第一及第二電極層，且分別具有一第一端部及第二端部；該第一端部是與該正溫度係數元件重疊，該第二端部是由該第一端部延伸並超出該正溫度係數元件的周端；及由一散熱電絕緣材料構成的第一及第二散熱層，分別依序地連接並包覆於該第一及第二電極層及該第一及第二導電引線的第一端部；其中，該散熱電絕緣材料具有一大於1.7W/mK的導熱係數。2.根據權利要求1所述的過電流保護裝置，其特徵在於：該散熱電絕緣材料是選自於由下列所構成的群組：環氧類複合材料、丙烯酸類複合材料，及聚酯類複合材料。3.根據權利要求1所述的過電流保護裝置，其特徵在於：該正溫度係數元件是由一包括一導電性顆粒填充物及一高分子系統的正溫度係數組成物所形成，該高分子系統含有一主聚合物單元及一強化聚烯烴，該主聚合物單元包含一基礎聚烯烴及可選擇性的一接枝型聚烯烴；該基礎聚烯烴具有一根據ASTMD-1238在230°C與12.6Kg壓力下所量得的介於10g/10min至100g/10min的熔流速率；該強化聚烯烴具有一根據ASTMD-1238在230°C與12.6Kg壓力下所量得的介於0?01g/10min至1.0g/10min的烙流速率。4.根據權利要求3所述的過電流保護裝置，其特徵在於：該強化聚烯烴具有一介於600,OOOg/mole至1，500,OOOg/mole間的重量平均分子量。5.根據權利要求3所述的過電流保護裝置，其特徵在於：該基礎聚烯烴具有一介於50,OOOg/mole至300,OOOg/mole間的重量平均分子量。6.根據權利要求3所述的過電流保護裝置，其特徵在於：該基礎聚烯烴與該強化聚烯烴為高密度聚乙烯。7.根據權利要求3所述的過電流保護裝置，其特徵在於：該接枝型聚烯烴是羧酸酐接枝的高密度聚乙烯。8.根據權利要求3所述的過電流保護裝置，其特徵在於：該導電性顆粒填充物是選自於下列所構成的群組：碳化鈦、碳化鋯、碳化釩、碳化鈮、碳化鉭、碳化鉻、碳化鑰、碳化鎢、氮化鈦、氮化鋯、氮化釩、氮化鈮、氮化鉭、氮化鉻、二矽化鈦、二矽化鋯、二矽化鈮、二矽化鎢、金、銀、銅、鋁、鎳、表面度鎳玻璃球、表面鍍鎳石墨、鈦鉭固熔體、鎢鈦鉭鉻固熔體、鎢鉭固熔體，鎢鈦鉭鈮固熔體、鎢鈦鉭固熔體、鎢鈦固熔體、鉭鈮固熔體及前述的組合。9.一種電池組件，其特徵在於：其包含：一電池單元；及一與該電池單元電連接的過電流保護裝置，且其包括：一正溫度係數元件，具有對立的第一及第二表面，以及一周端；第一及第二電極層，分別依序地連接於該第一及第二表面；第一及第二導電引線，分別依序地連接於該第一及第二電極層，且分別具有一第一端部及第二端部；該第一端部是與該正溫度係數元件重疊，該第二端部是由該第一端部延伸並超出該正溫度係數元件的周端；及由一散熱電絕緣材料構成的第一及第二散熱層，分別依序地連接並包覆於該第一及第二電極層及該第一及第二導電引線的第一端部；其中，該散熱電絕緣材料具有一大於1.7W/mK的導熱係數。10.根據權利要求9所述的電池組件，其特徵在於：該散熱電絕緣材料是選自於由下列所構成的群組：環氧類複合材料、丙烯酸類複合材料，及聚酯類複合材料。【文檔編號】H01M2/34GK104425088SQ201310363519【公開日】2015年3月18日申請日期:2013年8月19日優先權日:2013年8月19日【發明者】陳繼聖,江長鴻申請人:富致科技股份有限公司