保護元件的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種能夠更加可靠地感知異常溫度來執(zhí)行動作，并且耐沖擊性以及耐環(huán)境性良好的保護元件。該保護元件具有：(i)層狀要素，其包含絕緣性樹脂；(ii)至少1個低熔點金屬部件，其貫通層狀要素；以及(iii)一對層狀的金屬電極，其位于層狀要素的兩個主表面，并通過低熔點金屬部件來電連接。
【專利說明】保護元件

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種保護元件。

【背景技術】
[0002]作為在鋰離子二次電池異常發(fā)熱的情況下切斷電流的保護元件，使用溫度熔斷器元件、PTC(positive temperature coefficient,正溫度系數(shù))元件以及將雙金屬元件與PTC元件并聯(lián)連接而成的保護設備(專利文獻I)等。其中，在如流動大電流(例如，30A)這樣的用途中，例如在用于電動自行車等輸送機器的鋰離子聚合物二次電池的保護的情況下，使用尺寸大的PTC元件或者將雙金屬元件與PTC元件并聯(lián)連接而成的保護設備。
[0003]在先技術文獻
[0004]專利文獻
[0005]專利文獻1:國際公開W02008/114650號
[0006]發(fā)明要解決的課題
[0007]在上述保護元件中，若溫度熔斷器元件的設置位置遠離異常發(fā)熱產(chǎn)生的位置，則難以提供迅速并且可靠的保護。因此，溫度熔斷器元件需要設置在能夠迅速并且可靠地響應異常發(fā)熱的位置，而在異常發(fā)熱產(chǎn)生的位置為較寬范圍的情況下，則未必容易決定這樣的設置位置。
[0008]在PTC元件中存在聚合物PTC元件以及陶瓷PTC元件。其中，聚合物PTC元件的跳閘溫度較高，在較低溫的異常發(fā)熱，例如異常發(fā)熱的溫度為80°c的情況下，則未必容易提供適當?shù)谋Ｗo。此外，陶瓷PTC元件抗沖擊力較弱，特別地，平型的大元件容易由于沖擊而產(chǎn)生破裂。
[0009]雖然將雙金屬元件與PTC元件并聯(lián)連接而成的保護設備能夠增大保持電流，但由于具有機械性的接點，因此容易產(chǎn)生由于環(huán)境而導致的不良情況，例如由于腐蝕等而導致的接點不良或者由于沖擊而導致的瞬間斷裂等。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]因此，本發(fā)明要解決的課題在于，提供一種能夠更加可靠地感知異常溫度并執(zhí)行動作，并且耐沖擊性以及耐環(huán)境性良好的保護元件。
[0011]在第I主旨中，提供一種保護元件，具有:
[0012](i)層狀要素，其包含絕緣性樹脂；
[0013](ii)至少I個低熔點金屬部件，其貫通層狀要素；以及
[0014](iii) 一對層狀的金屬電極，其位于層狀要素的兩個主表面，并通過低熔點金屬部件來電連接。
[0015]在第2主旨中，提供一種二次電池，其特征在于，具有上述保護元件。
[0016]發(fā)明效果
[0017]本發(fā)明的保護元件由于使用層狀的金屬電極而導致表面積變大，因此能夠更加可靠地獲取由于異常發(fā)熱而導致的熱，并能夠提供更加可靠的保護。此外，由于本發(fā)明的保護元件不具有機械性的接點，因此不會產(chǎn)生由于腐蝕等而導致的接點不良以及由于沖擊而導致的瞬間斷裂，耐環(huán)境性以及耐沖擊性良好。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1示意性地表示本發(fā)明的一個方式的保護元件的立體圖。
[0019]圖2示意性地表示沿著相對于包含圖1的保護元件的直線x-x在內(nèi)的平面垂直的面的剖視圖。
[0020]圖3與圖2同樣地，示意性地表示另一方式的保護元件的剖視圖。
[0021]圖4與圖2同樣地，示意性地表示又一其他方式的保護元件的剖視圖。
[0022]圖5示意性地表示本發(fā)明的保護元件的層狀要素的一個方式的立體圖。
[0023]圖6示意性地表示本發(fā)明的保護元件的層狀要素的另一方式的立體圖。

【具體實施方式】
[0024]下面，參照附圖，來對本發(fā)明的保護元件進行詳細的說明。但是，本發(fā)明的保護元件并不限定于圖示的方式。
[0025]圖1示意性地表示本發(fā)明的一個方式的保護元件的立體圖，圖2示意性地表示沿著相對于包含圖1所示的保護元件的直線x-x在內(nèi)的平面垂直的面的剖視圖。本發(fā)明的保護元件I具有:層狀要素2、貫通層狀要素的低熔點金屬部件4以及覆蓋上述部分的一對層狀的金屬電極6。
[0026]本發(fā)明的保護元件I具有包含絕緣性樹脂而成的層狀要素2。
[0027]在一個方式中，層狀要素2由絕緣性樹脂形成(下面，將由該絕緣性樹脂形成的層狀要素稱為“層狀樹脂要素”)。在該方式中，平常時，電流從一個金屬電極6起，通過低熔點金屬部件4而流向另一個金屬電極6。在異常時，周圍產(chǎn)生的熱通過金屬電極6而被傳送到低熔點金屬部件4，低熔點金屬部件4熔斷，從而電流被切斷。這里，所謂“平常時”是指未產(chǎn)生異常發(fā)熱，保護元件、應保護的電路/機器以及其周圍環(huán)境的溫度為規(guī)定的溫度以下。所謂“異常時”是指產(chǎn)生異常發(fā)熱，應保護的電路/機器或者其周圍的溫度為規(guī)定的溫度以上，例如為能夠產(chǎn)生不良情況的溫度以上。
[0028]構成層狀要素的絕緣性樹脂只要是具有電絕緣性的樹脂就可以，并不特別限定，包括例如熱可塑性樹脂以及熱固化性樹脂，具體來講，包括聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、氟系樹脂、ABS (丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)樹脂、聚碳酸酯-ABS合金樹脂、PBT (聚對苯二甲酸丁二醇酯)樹脂、合成橡膠等樹脂。該絕緣性樹脂優(yōu)選是具有比本發(fā)明的保護元件的動作溫度高的分解溫度以及熔點的樹脂。這里，所謂“動作溫度”，是指保護元件執(zhí)行動作并切斷電流的最低溫度。通過使用具有比保護元件的動作溫度高的分解溫度以及高熔點的絕緣性樹脂，從而在產(chǎn)生異常發(fā)熱的情況下，由于在達到絕緣性樹脂的分解溫度或者熔點之前，保護元件執(zhí)行動作并切斷電流，因此能夠防止絕緣性樹脂的分解以及熔融。此外，由于本發(fā)明的保護元件是以由于異常發(fā)熱而動作為目的，因此從容易向低熔點金屬部件傳播熱的觀點來看，絕緣性樹脂優(yōu)選是導熱性高的樹脂。作為優(yōu)選的絕緣性樹脂，舉例有例如聚乙烯、聚偏氟乙烯、聚丙烯、酚醛系樹脂等。
[0029]在另一方式中，層狀要素2由絕緣性樹脂中包含導電性填充物的組成物、也就是所謂的PTC組成物形成(下面，將由該PTC組成物形成的層狀要素稱為“層狀PTC要素”)。通過使用層狀PTC要素來作為層狀要素，從而在低熔點金屬部件熔斷時，由于流過低熔點金屬部件的電流轉移到層狀PTC要素，因此能夠抑制隨著低熔點金屬部件的熔斷的電弧的產(chǎn)生。也就是說，能夠提高保護元件的耐電壓。
[0030]上述PTC組成物為例如包含導電性填充物的聚合物材料(例如，以分散狀態(tài)來包含炭黑粒狀物質的高密度聚乙烯)，且為表示PTC特性的聚合物組成物，只要是已知自身的物質，并能夠用于本發(fā)明的保護元件的物質就可以，并不特別限定。
[0031 ] 上述層狀PTC要素的動作溫度優(yōu)選能夠為比構成低熔點金屬部件4的低熔點金屬的熔點高的溫度，例如為高5°C的溫度、高10°C的溫度或者高20°C的溫度。通過設為這樣的動作溫度，從而在低熔點金屬部件熔斷時，能夠使流過低熔點金屬部件的電流更加可靠地轉移到層狀PTC要素。這里，所謂“動作溫度”是指層狀PTC要素執(zhí)行動作(跳閘)的最低溫度。
[0032]進一步地，在另一方式中，層狀要素2也可以是層狀樹脂要素以及層狀PTC要素的組合。層狀樹脂要素以及層狀PTC要素的大小、形狀以及配置并沒有被特別限定，可以根據(jù)制造的容易性、被負荷的電壓/電流、使用的PTC組成物的種類、低熔點金屬的種類等因素來適當?shù)貨Q定。例如，如圖5所示，層狀樹脂要素8以及層狀PTC要素10也可以相鄰地存在。此外，如圖6所示，層狀PTC要素10也可以被層狀樹脂要素8包圍地設置。另外，在圖5以及6中，為了簡化而省略了貫通開口部。雖然在圖示的方式中，層狀PTC要素10與層狀樹脂要素8被接觸配置，但并不僅限于此，也可以隔離配置。
[0033]上述層狀要素的形態(tài)只要是厚度方向的尺寸比其他尺寸小(例如板狀或者片狀形態(tài))就可以，并不特別限定。具體來講，相對于厚度的長度或者寬度的比優(yōu)選為3以上，例如5?100。層狀要素的平面形狀(從正上方來看層狀要素的情況下的形狀，或者與層狀要素的厚度方向垂直的方向的剖面形狀)并不被特別限定，例如也可以是圓形、正方形、長方形、菱形、環(huán)狀等形狀。該層狀要素的平面形狀優(yōu)選與應保護的機器、例如二次電池單元的平面形狀實質上相同。這樣，通過使層狀要素的平面形狀與應保護的機器的平面形狀實質上一致，從而在應保護的機器中產(chǎn)生異常發(fā)熱的情況下，能夠更加迅速并且可靠地獲取熱，并傳送到低熔點金屬部件，因此能夠提供更加迅速并且可靠的保護。
[0034]雖然上述層狀要素的厚度并不被特別限定，但是為了確保異常時的一對電極之間的絕緣，使低熔點金屬部件的熔斷變得容易，則優(yōu)選為Imm以上，并且為了在異常時迅速地向低熔點金屬部件整體傳熱，此外，從小型化的觀點出發(fā)，則優(yōu)選為1mm以下。例如，層狀要素的厚度為I?8mm,優(yōu)選為I?6mm的范圍。
[0035]上述層狀要素至少具有一個貫通開口部，低熔點金屬部件貫通該貫通開口部。在層狀樹脂要素以及層狀PTC要素兩者存在的情況下，該貫通開口部可以存在于層狀樹脂要素以及層狀PTC要素的任意一個，也可以在兩者都存在。該貫通開口部沿著層狀要素的厚度方向延伸并貫通層狀要素，與該厚度方向垂直的方向的剖面形狀并不特別限定，可以是例如圓形、正方形、菱形、長方形、橢圓形。貫通開口部的數(shù)量可以根據(jù)使用的低熔點金屬部件的數(shù)量而適當?shù)剡x擇。
[0036]本發(fā)明的保護元件I具有貫通上述層狀要素2的貫通開口部，并分別與一對層狀的金屬電極6電連接的低熔點金屬部件4。
[0037]與層狀要素的厚度方向垂直的方向的低熔點金屬部件的剖面形狀并不被特別限定，例如可以是圓形、正方形、菱形、長方形、橢圓形或者圓環(huán)狀。
[0038]低熔點金屬部件的厚度(層狀要素的厚度方向的厚度)實質上與層狀要素的厚度相同。
[0039]雖然在圖2所示的方式中，上述低熔點金屬部件的數(shù)量為一個，但并不僅限于此，也可以是2個以上，例如2個、3個、4個或者以上。通過增加低熔點金屬部件的數(shù)量，能夠增大保護元件的保持電流。因此，低熔點金屬部件的數(shù)量可以根據(jù)保護元件中所要求的保持電流的程度而適當?shù)剡x擇。這里，所謂“保持電流”是指在本發(fā)明的保護元件不執(zhí)行動作的情況下能夠流過的最大電流。
[0040]在存在多個低熔點金屬部件的情況下，它們可以如圖3所示那樣相互接觸地配置，或者，也可以如圖4所示那樣相互隔離地配置。
[0041]在將低熔點金屬部件相互接觸地配置的情況下，在從相對于層狀要素的主要面垂直的方向來看的情況下，這些可以配置為直線狀，或者也可以配置為圓周形、閃電形、波形或者凹凸形。在這種情況下，相互接觸的低熔點金屬部件可以被視為一個更大的低熔點金屬部件。
[0042]在將低熔點金屬部件配置為相互隔離的情況下，優(yōu)選在層狀要素中均等地配置低熔點金屬部件。這里，所謂“均等配置”是指低熔點金屬部件的配置具有對稱軸或者對稱點。優(yōu)選低熔點金屬部件的配置的對稱軸或者對稱點與層狀要素的主表面的對稱軸或者對稱點一致。例如，在將低熔點金屬部件直線地配置的情況下，可以配置為相鄰的各低熔點金屬部件彼此的距離相等，并在層狀要素的主表面的中心線的兩側存在相同數(shù)量的低熔點金屬部件。此外，在將低熔點金屬部件配置為圓周狀的情況下，可以配置為從層狀要素的主表面的中心點起等距離、等角度地，例如每隔45°存在低熔點金屬部件。此外，也可以將一個或一個以上的直線的配置以及一個或一個以上的圓周狀的配置組合來進行配置。
[0043]上述低熔點金屬部件由低熔點金屬構成。作為該低熔點金屬，并不特別限定，舉例有例如:Sn、B1-Cd合金、B1-Pb合金、Sn-Ag合金、Sn-Ag-B1-1n合金、Sn-Ag-Cu合金、Sn-Ag-Cu-Bi 合金、Sn-Ag-Cu-B1-1n 合金、Sn-Ag-Cu-Co-Ni 合金、Sn-Ag-Cu-Sb 合金、Sn-Ag-N1-Co 合金、Sn-Bi 合金、Sn-B1-Ag 合金、Sn-B1-Cd 合金、Sn-B1-1n 合金、Sn-B1-Pb合金、Sn-B1-Pb-Cd 合金、Sn-B1-Pb-Cd-1n 合金、Sn-B1-Pb-1n 合金、Sn-B1-Zn 合金、Sn-Cu合金、Sn-Cu-Ni 合金、Sn-Cu-N1-P-Ge 合金、Sn-Cd 合金、Sn-1n 合金、Sn-Pb 合金、Sn-Pb-Cd合金、Sn-Zn合金以及Sn-Sb合金。
[0044]本發(fā)明的保護元件的動作溫度與構成低熔點金屬部件的低熔點金屬的熔點實質上相同。因此，通過調整低熔點金屬的熔點，能夠改變保護元件的動作溫度。例如，若低熔點金屬的熔點為80°C，則即使對于作為異常發(fā)熱較低溫的80°C的溫度，也能夠提供保護。低熔點金屬的熔點可以通過改變使用的金屬或者合金，來適當?shù)卣{整。
[0045]在優(yōu)選實施方式中，低熔點金屬部件具有80°C?90°C的熔點。作為這種具有80°C?90°C的熔點的低熔點金屬部件，雖然不特別限定，但舉例有Sn-B1-Pb合金、Sn-B1-Pb-Cd 合金、Sn-B1-Pb-Cd-1n 合金、Sn-B1-1n 合金等。
[0046]此外，低熔點金屬部件也可以包含輔助其熔斷的助熔劑，或者在層狀要素的貫通開口部與助熔劑共存。例如，在貫通開口部中，可以將I個或I個以上的低熔點金屬部件以及I個或I個以上的助熔劑部相互鄰接地配置。
[0047]本發(fā)明的保護元件I具有一對層狀的金屬電極6，該一對層狀的金屬電極6被配置為覆蓋層狀要素2的2個主表面的至少一部分以及從該主表面露出的低熔點金屬部件4，并通過低熔點金屬部件4而相互電連接。
[0048]構成上述金屬電極的金屬材料并不特別限定，可以使用Fe或者包含貴金屬以及卑金屬在內(nèi)的非鐵金屬，具體來講，可以使用N1、Cu、Sn、Al、T1、Cr、Mn、Zn、Ag、Au、W、Pt、Pb、Mo、Be等或者它們的合金。其中，從導熱性高這一點來看,優(yōu)選Au、Ag、Cu以及Al。
[0049]上述金屬電極的厚度并不被特別限定，可以是例如板狀或者箔狀，但為了在異常時能夠將熱高效地傳送到低熔點金屬部件，則優(yōu)選能夠確保足夠量的熱容量，并不使熱消耗在電極的溫度上升的厚度，例如0.1?2mm。
[0050]上述金屬電極可以覆蓋層狀要素的主表面的一部分，或者也可以覆蓋全部。由于能夠在異常時從較寬范圍更可靠地獲取熱，因此優(yōu)選覆蓋層狀要素的主表面的全部。此外，金屬電極也可以比層狀要素的外緣更向外側延伸。
[0051]上述金屬電極的表面(與層狀要素的主要面相接的面的對置面)的形狀并不被特別限定，但從制造的容易性的觀點出發(fā)優(yōu)選是平面形狀，此外，從在異常時容易獲取熱的觀點出發(fā)，優(yōu)選與設置保護元件的面，例如應保護的機器的表面的形狀一致。
[0052]上述的低熔點金屬部件與金屬電極之間的電連接并不被特別地限定，例如，可以通過壓焊、熔敷、基于鍍敷的接合或者基于導電性粘合材料等的粘合等來進行。
[0053]在圖示的方式中，一對金屬電極被配置為在層狀要素的主表面上直接接觸，但不僅限于此，只要與低熔點金屬部件電連接即可，也可以通過其他部件。例如，也可以在層狀要素的主表面上配置金屬薄層，并在其上配置金屬電極。
[0054]本發(fā)明的保護元件可以直接設置在應保護的機器中。但是，例如，在應保護的機器的設置面的形狀與保護元件的設置面的形狀不一致的情況下，也可以通過熱傳導性好的樹月旨、例如硅樹脂來設置。
[0055]本發(fā)明的保護元件可以通過各種方法來制造，本領域的技術人員可以根據(jù)本發(fā)明的保護元件的結構，理解其制造方法。例如，本發(fā)明的保護元件可以如下那樣制造。首先，準備絕緣性樹脂的薄板，將其穿孔為規(guī)定的尺寸以及形狀，并形成所希望的數(shù)目以及形狀的貫通開口部。將熔融了的低熔點金屬流入貫通開口部，沿著貫通開口部的壁面形成低熔點金屬的層，從而形成低熔點金屬部件。接著，按照將層狀的金屬電極覆蓋層狀要素的主表面以及低熔點金屬部件的方式，使用例如導電性粘合劑等來貼合在層狀要素的表面，從而能夠制造本發(fā)明的保護元件。根據(jù)所希望的，在貼合了一個金屬電極之后，可以將對低熔點金屬部件的熔斷進行輔助的助熔劑注入貫通開口部，貼合另一個金屬電極來進行封閉。
[0056]本發(fā)明的保護元件能夠更加可靠地感知異常溫度并執(zhí)行動作，進一步地，由于不具有機械性的接點，不會產(chǎn)生由于腐蝕等而引起的接點不良以及由于沖擊而引起的瞬間斷裂，因此可以恰當?shù)剡m用于各種電子/電氣機械，例如二次電池。因此，本發(fā)明也可以提供以具有本發(fā)明的保護元件為特征的電子/電氣機械，例如二次電池。
[0057]產(chǎn)業(yè)上的可利用性
[0058]由于本發(fā)明的保護設備的保持電流大，并能夠較好地響應異常發(fā)熱并執(zhí)行動作，因此能夠作為例如高容量的鋰離子二次電池用的保護元件來恰當?shù)乩谩?br> [0059]符號說明
[0060]I…保護元件
[0061]2…層狀要素
[0062]4…低熔點金屬部件
[0063]6…金屬電極
[0064]8…層狀樹脂要素
[0065]10…層狀PTC要素
【權利要求】
1.一種保護元件，具有: (i)層狀要素，其包含絕緣性樹脂； (ii)至少I個低熔點金屬部件，其貫通層狀要素；以及 (iii)一對層狀的金屬電極，其位于層狀要素的兩個主表面，并通過低熔點金屬部件電連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的保護元件，其特征在于， 層狀要素的一部分或者全部由PTC組成物形成。
3.根據(jù)權利要求1或者2所述的保護元件，其特征在于， 具有2個以上低熔點金屬部件。
4.根據(jù)權利要求3所述的保護元件，其特征在于， 2個以上低熔點金屬部件被配置為相互接觸。
5.根據(jù)權利要求3所述的保護元件，其特征在于， 2個以上低熔點金屬部件被配置為相互隔離。
6.根據(jù)權利要求5所述的保護元件，其特征在于， 2個以上低熔點金屬部件被均等地配置。
7.根據(jù)權利要求1?6的任意一項所述的保護元件，其特征在于， 低熔點金屬部件通過從由Sn、B1-Cd合金、B1-Pb合金、Sn-Ag合金、Sn-Ag-B1-1n合金、Sn-Ag-Cu 合金、Sn-Ag-Cu-Bi 合金、Sn-Ag-Cu-B1-1n 合金、Sn-Ag-Cu-Co-Ni 合金、Sn-Ag-Cu-Sb 合金、Sn-Ag-N1-Co 合金、Sn-Bi 合金、Sn-B1-Ag 合金、Sn-B1-Cd 合金、Sn-B1-1n合金、Sn-B1-Pb 合金、Sn-B1-Pb-Cd 合金、Sn-B1-Pb-Cd-1n 合金、Sn-B1-Pb-1n 合金、Sn-B1-Zn 合金、Sn-Cu 合金、Sn-Cu-Ni 合金、Sn-Cu-N1-P-Ge 合金、Sn-Cd 合金、Sn-1n 合金、Sn-Pb合金、Sn-Pb-Cd合金、Sn-Zn合金以及Sn-Sb合金構成的群中選擇的I種或I種以上的低熔點金屬而形成。
8.根據(jù)權利要求7所述的保護元件，其特征在于， 低熔點金屬具有80?90°C的熔點。
9.根據(jù)權利要求8所述的保護元件，其特征在于， 低熔點金屬是從由Sn-B1-Pb合金、Sn-B1-Pb-Cd合金、Sn-B1-Pb-Cd-1n合金以及Sn-B1-1n合金構成的群中選択的I種或I種以上的金屬。
10.根據(jù)權利要求1?9的任一項所述的保護元件，其特征在于， 金屬電極通過從由包含貴金屬以及卑金屬在內(nèi)的非鐵金屬構成的群中選擇的I種或I種以上的金屬而形成。
11.根據(jù)權利要求10所述的保護元件，其特征在于， 從由 N1、Cu、Sn、Al、T1、Cr、Mn、Zn、Ag、Au、W、Pt、Pb、Mo 以及 Be 構成的群中選擇非鐵金屬。
12.根據(jù)權利要求1?11的任一項所述的保護元件，其特征在于， 絕緣性樹脂是從由熱可塑性樹脂以及熱固化性樹脂構成的群中選擇的I種或I種以上的樹脂。
13.根據(jù)權利要求1?12的任一項所述的保護元件，其特征在于， 絕緣性樹脂是從由聚乙烯、聚偏氟乙烯以及聚丙烯構成的群中選擇的I種或I種以上的樹脂。
14.一種二次電池,具有: 權利要求1?13中任一項所述的保護元件。
【文檔編號】H01H37/76GK104347312SQ201410359813
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2014年7月25日 優(yōu)先權日:2013年7月29日
【發(fā)明者】橫田貴之, 瀧澤剛, 巖井正明, 田中新 申請人:泰科電子日本合同會社