可维持超大电流的ptc保护元件的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种可维持超大电流的PTC保护元件，W支持新能源汽车类动力电池 所需，具有超低电阻、高的电压承受能力且在具有超大维持电流的同时可W实现低触发溫 度。
【背景技术】
[0002] 具有电阻正溫度系数的导电复合材料在正常溫度下可维持极低的电阻值，且具有 对溫度变化反应敏锐的特性，即当电路中发生过电流或过高溫现象时，其电阻会瞬间增加 到一高阻值，使电路处于断路状态，W达到保护电路元件的目的。因此可把具有电阻正溫度 系数的导电复合材料连接到电路中，作为电流传感元件的材料。此类材料已被广泛应用于 电子线路保护元器件上。
[0003] 2010年3月我国"两会"期间，新能源汽车的支持政策再次地成为市场关注的焦 点。动力电池电动汽车在2010~2014年快速成长。除新能源汽车的发展，动力电池组、储 能电池组的应用拓展到照明、蓄能、不间断电源、移动通讯、便携式电动工具、电动玩具等行 业中。电池组正常工作放电可达25~150A，电压最小可达30V。故目前市面采用的保护元 件均是一次性保险丝，发生故障后，难W更换。而目前可恢复性的PTC型的电池保护元件所 能承受的电压仅为6~24V，可维持电流最大仅有IOA;已远不能满足动力电池组和储能电 池组的安全发展需求。
【发明内容】
[0004] 本发明目的在于：提供一种可维持超大电流的PTC元件，具有超低电阻特性，可承 受不低于30V的电压，其常溫维持电流达200~300A，从而满足现有的动力电池组和储能电 池组发展的安全要求，开拓现有PTC元件的应用范围。 阳0化]本发明目的通过下述方案实现：一种可维持超大电流的PTC保护元件，包含第一 外接导电金属引脚、第二外接导电金属引脚和设于该第一和第二外接导电金属引脚之间的 电阻正溫度效应忍片（PTC)，所述的PTC保护元件电阻低于2.OmQ，其中， (a)至少一具有电阻正溫度效应的忍片，该忍片是由电阻正溫度效应复合材料层、紧 密结合在电阻正溫度效应复合材料层表面的第一电极锥W及紧密结合在电阻正溫度效应 复合材料层另一相对表面的第二电极锥构成厚度在0. 2mm~2.Omm的电阻正溫度效应忍 片，所述的电阻正溫度效应复合材料层包含至少一种结晶性高分子材料和至少一种分散于 该结晶性高分子材料的导电填料，该导电填料的体积电阻率低于200yQ.cm、热导率大于 IOW/(m.K)、粒径0.Iym~30Jim且〇5。不大于20Jim，所述的电极锥为金属或金属合金锥 片，其体积电阻率低于10yQ.cm、热导率不低于IOOW/(m.K)、厚度在1.Oum~lOOum，其中， 热导率优选高于150W/ (m.K)，更优高于200W/ (m.K); 导电填料占电阻正溫度效应复合材料的体积百分比介于25%~85%，优选百分比为 30〇/〇~70〇/〇。
[0006] (b)至少一导电金属引脚体积电阻率低于10yQ.cm,热导率不低于100W/(m.K)， 厚度在0. 2mm~5. 0mm，与具有电阻正溫度效应的忍片电气连接。
[0007] 本发明中，所述导电填料的体积电阻率不大于200yQ.cm,优选电阻率低于 100yQ.cm;热导率大于IOW/ (m.K)，优选大于20W/ (m.K);粒径〇5。不大于20um，优选粒径 小于1Sum。
[0008] 本发明中所述电极锥采用金属或金属合金为基材，其体积电阻率低于10yQ.cm, 优选体积电阻率低于8yQ.cm。
[0009] 本发明可承受的最大电压在30~120V，同时可维持电流在30~300A。
[0010] 在上述方案基础上，所述的电阻正溫度效应忍片厚度在0. 2mm~2. 0mm，优选 0. 30~1. 0mm，更优为 0. 35~0. 8mm。
[0011] 所述的电阻正溫度效应复合材料层选用聚乙締、氯化聚乙締、氧化聚乙締、聚氯乙 締、下二締-丙締腊共聚物、丙締腊-下二締-苯乙締共聚物、聚苯乙締、聚碳酸醋、聚酷胺、 聚对苯二甲酸乙二醇醋、聚对苯二甲酸下二醇醋、聚苯酸、聚苯硫酸、聚甲醒、酪醒树脂、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、马来酸酢接枝聚乙締、聚丙 締、聚偏氣乙締、环氧树脂、乙締-醋酸乙締共聚物、聚甲基丙締酸甲醋、乙締-丙締酸共聚 物中的一种及其混合物。
[0012] 所述的电阻正溫度效应复合材料中聚合物的体积分数可W为15、20、25、30、35、 40、45、50、55、60、65、70 或 75〇/〇。
[0013] 所述导电填料选自碳纳米管、金属粉末、导电陶瓷粉末中的一种及其混合物，其 中， 所述金属粉末选自铜、儀、铁、鹤、锡、银、金、销或其合金中的一种及其混合物； 所述导电陶瓷粉末选自金属氮化物、金属碳化物、金属棚化物、金属娃化物之中的一种 或几种的混合物。
[0014] 所述的电阻正溫度效应复合材料中导电填料的体积分数可W为25、30、35、40、45、 50、55、60、65、70、75、80 或 85〇/〇,其粒径可W为 0. 1、0. 5、1、2、3、4、5、6、7、8、9、或10^111。
[0015] 进一步的，所述的电极锥基材为金、银、铜、锋、侣及其合金，或在所述的电极锥基 材表面复合有其他金属锻层。
[0016] 所述的金属引脚的基材为金、银、铜、锋、侣及其合金，或在所述的金属引脚的基材 表面复合有其他金属锻层。金属引脚厚度大于0. 2mm，优选高于0. 3mm。
[0017] 导电金属引脚可W通过电锻、化学锻、印刷、浸焊、点焊、回流焊连接在金属锥片 上，从而将PTC元件连接进电路中。导电金属引脚包括任何能与金属锥片导通的结构部件， 它可W是任何形状，例如，带状、片状、柱状、其他不规则形状及它们的组合体。
[0018] 本发明的可按下述方法进行制备： 将结聚合物、导电填料投入混合设备，在高于聚合物烙融溫度W上的溫度下进行捏合。 混合设备可W是转矩流变仪、密炼机、开炼机、单螺杆挤出机或双螺杆挤出机。然后将烙融 混合好的聚合物加工成为片材，运可W通过挤出成型、模压成型或开练机薄通拉片来实现。 一般来说，聚合物片材的厚度为0. 1~2.Ornm,优选为0. 2~1.Ornm,为了加工的方便更优为 0. 4 ~0. 8mm。
[0019] 复合制品的成型方法是在聚合物片材的两面压合金属锥片，当运种复合制品被分 割成单个元件时，金属锥片起电极的作用。把复合制品分割成单个元件的方法包括从复合 制品上分离出单个元件的任何方法，例如冲切、刻蚀、划片和激光切割。所述单个元件具有 平面形状，即有与电流流过方向垂直的两个表面，且两个表面之间的距离相当薄，即至多 2.Omm,优选地是至多1. 2mm，特别优选的是最多0. 7mm，例如0. 4mm。
[0020] 所述单个元件可W是任何形状，如正方形、=角形、圆形、矩形、环形、多边形或其 它不规则形状。金属锥片包含至少一粗糖表面且此粗糖表面与聚合物片材直接物理性 接触。金属锥的厚度一般至多为0. 1mm，优选至多为0. 07mm，特别是至多0. 05mm，例如， 0. 035mm。适用的金属锥片包括金、银、铜、锋、侣及其合金。
[0021] 通常可借助交联或热处理的方法来提高PTC元件性能的稳定性。
[0022] 交联可W是化学交联或福照交联，例如可利用交联促进剂、电子束福照或C〇60福 照来实现。PTC元件所需的福照剂量一般小于lOCMrad，优选为1~5(Mrad，更优为1~ 20Mrad。
[0023] 热处理可W是退火、热循环、高低溫交变，例如80°C /-40°C高低溫交变。所述退火 的溫度环境可W是PTC材料层基材分解溫度W下的任何溫度，例如高于导电复合材料基材 烙融溫度的高溫退火和低于导电复合材料基材烙融溫度的低溫退火。
[0024] 本发明的PTC元件，其在25°C的电阻率小于0. 1Q.cm,优选小于0. 05Q.cm,最优 为小于0. 02Q.cm,因此本发明的PTC元件在25°C的电阻很低，低于2mQ。
[0025] 本发明的优越性在于：本发明的导电复合材料导电性能好，由于具有超低电阻特 性，可承受不低于30V的电压，其常溫维持电流达200~300A，从而满足现有的动力电池组和 储能电池组发展的安全要求，开拓现有PTC元件的应用范围。由本发明方法制备的PTC元 件性能更稳定，具有很低的室溫电阻率和较高的耐电压等级。
【附图说明】
[0026] 图1为PTC忍片的结构示意图； 图2为可维持超大电流的PTC元件图； 图中标号说明： 11一一电阻正溫度效应复合材料层； 121、122--上、下金属电极锥； 131、132--上、下导电金属引脚。
【具体实施方式】
[0027] W下通过具体的实施例对本发明作进一步的详细说明。 阳0測实施例1 如图1为PTC忍片的结构示意图和图2为可维持超大电流的PTC元件图所示，一种可 维持超大电流的PTC保护元件，包含第一外接导电金属引脚、第二外接导电金属引脚和设 于该第一和第二外接导电金属引脚之间的电阻正溫度效应忍片（PTC)，所述的PTC保护元 件电阻低于2.OmQ,其中， (a)至少一具有电阻正溫度效应的忍片，该忍片是由电阻正溫度效应复合材料层11、紧 密结合在电阻正溫度效应复合材料层11上、下表面的第一、二电极锥即上、下金属电极锥 121、122构成厚度在0. 2mm~2.Omm的电阻正溫度效应忍片，所述的电阻正溫度效应复合材 料层11由体积分数为42%的高密度聚乙締和分散于该结晶性高分子材料的导电填料碳化 铁固溶体构成，该导电填料粒径小