聚合物基薄膜電容器的應(yīng)用現(xiàn)狀和市場(chǎng)分析研究

  能源在人類的生活中扮演著至關(guān)重要的角色，已成為全球的熱點(diǎn)話題之一。能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整和電子設(shè)備的迭代升級(jí)，對(duì)能量存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)換的技術(shù)和器件的性能提出了愈加嚴(yán)格的要求，其中，儲(chǔ)能成為亟待突破的關(guān)鍵技術(shù)之一。

  當(dāng)前主流的儲(chǔ)能器件包括電池、超級(jí)電容器和介電電容器[1],儲(chǔ)能密度、功率密度對(duì)比見(jiàn)圖1。其中，電池具有最高的儲(chǔ)能密度，可提供長(zhǎng)期平穩(wěn)的能量輸出，已成為應(yīng)用最為廣泛的儲(chǔ)能器件，但最低的功率密度制約了其在需要快速充放電的功率設(shè)備中的使用；超級(jí)電容器雖儲(chǔ)能密度和功率密度均適中，但其操作電壓低、內(nèi)阻大、安裝位置不合理易引起電解質(zhì)泄漏等不足，限制了其應(yīng)用潛能。與前兩種儲(chǔ)能器件相比，介電電容器雖儲(chǔ)能密度最低，僅為同尺寸電池的萬(wàn)分之一，但高達(dá)兆瓦每千克的功率密度使其充放電速率可達(dá)微秒級(jí)別，且循環(huán)壽命遠(yuǎn)高于電池，這些特點(diǎn)使其更適合高功率應(yīng)用，尤其是在脈沖功率應(yīng)用方面具有不可替代的優(yōu)勢(shì)，甚至是軍事設(shè)備脈沖電源的唯一選擇。

  1  介電電容器的物理基礎(chǔ)

  1.1儲(chǔ)能機(jī)理

  介電電容器最初的原型為“萊頓瓶”，現(xiàn)在通常由兩個(gè)充滿絕緣電介質(zhì)的導(dǎo)電極板組成[2]。介電電容器儲(chǔ)能的物理基礎(chǔ)是電介質(zhì)在施加電場(chǎng)下的極化和退極化過(guò)程，圖2為介電電容器充電過(guò)程的示意。充電前，沒(méi)有施加電場(chǎng)作用時(shí)電介質(zhì)中的偶極子散亂排布，極板上無(wú)電荷；充電時(shí)，在外部電壓的作用下，電介質(zhì)內(nèi)部發(fā)生電極化，偶極子順著電場(chǎng)的方向有序排列，在電極上激發(fā)出等量異號(hào)的極化電荷，當(dāng)極化電荷在平板表面上所產(chǎn)生的電勢(shì)等于施加的電壓時(shí)，充電過(guò)程終止；移除外加電場(chǎng)后，偶極子又重新恢復(fù)到散亂排布的無(wú)序狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)外放電。

  在充電過(guò)程中，電能以靜電場(chǎng)形式被儲(chǔ)存在電介質(zhì)中[3]。根據(jù)經(jīng)典的電磁學(xué)理論，儲(chǔ)能密度Ue可以表示為[4]:

  其中，E為外部施加電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)，D為電介質(zhì)的電位移，D與外加電場(chǎng)E相關(guān)，它們之間的關(guān)系為：

  其中，ε0為真空介電常數(shù)，εr為相對(duì)介電常數(shù)。對(duì)于線性電介質(zhì)，相對(duì)介電常數(shù)εr始終為常數(shù)，不隨外加電場(chǎng)的變化而變化，因此，其儲(chǔ)能密度的計(jì)算公式可表達(dá)成：

  由上式可以看出，電介質(zhì)的儲(chǔ)能密度由介電常數(shù)和擊穿場(chǎng)強(qiáng)共同決定，在施加場(chǎng)強(qiáng)接近擊穿場(chǎng)強(qiáng)時(shí)達(dá)到最大值。電介質(zhì)的儲(chǔ)能密度Ue,可通過(guò)對(duì)電位移－電場(chǎng)強(qiáng)度(D-E電滯洄線）之間的有效面積積分計(jì)算得到（見(jiàn)圖3中綠色陰影區(qū)域所示）。此外，電介質(zhì)并非完全絕緣，載流子的存在不可避免地存在電導(dǎo)損耗，且交流電場(chǎng)作用時(shí)高頻下偶極子的極化弛豫也會(huì)帶來(lái)?yè)p耗，電介質(zhì)放電過(guò)程中消耗的能量密度Ui見(jiàn)圖3中灰色陰影區(qū)域所示。

  1.2介電電容器性能比較

  電介質(zhì)是指在外電場(chǎng)的作用下能產(chǎn)生電極化現(xiàn)象的物質(zhì)，根據(jù)電介質(zhì)材料的不同，介電電容器可分為陶瓷電容器、鋁電解電容器、鉭電解電容器和薄膜電容器4大類。電介質(zhì)材料的性能很大程度上決定了電容器的性能，表1對(duì)上述4種電容器的性能進(jìn)行了對(duì)比。從表1可以看出，每種電介質(zhì)材料都有其自身的優(yōu)勢(shì)和局限性，因此適用范圍也有所區(qū)別。目前，用于高功率應(yīng)用的商業(yè)電介質(zhì)主要是多層陶瓷電容器(MLCC)和薄膜電容器。相比傳統(tǒng)的陶瓷電容器和電解電容器，薄膜電容器具有諸多優(yōu)勢(shì)，如擊穿場(chǎng)強(qiáng)高、機(jī)械柔韌性良好、密度低、易加工和成本低廉等[6],具有較好的發(fā)展前景。

  2  聚合物薄膜電容器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和性能對(duì)比

  2.1結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

  薄膜電容器是以聚合物薄膜為電介質(zhì)的電容器，其技術(shù)起源是19世紀(jì)后半期所發(fā)明的紙介質(zhì)電容器，即將浸漬了油、石蠟的紙插在鋁箔中并卷成卷狀的電容器。薄膜電容器主要由金屬電極、聚合物基膜、導(dǎo)線和封裝樹(shù)脂4種主要材料構(gòu)成。此外，根據(jù)內(nèi)部電極形成方法的不同，可分為箔電極型與蒸鍍電極型（金屬化薄膜型）2種，箔電極型是使用金屬箔（鋁、錫、銅）重疊塑料薄膜卷繞而成電容器，蒸鍍電極型是在塑料薄膜上蒸鍍金屬（鋁、鋅等）形成內(nèi)部電極。

  2.2薄膜電容器性能對(duì)比

  基膜是薄膜電容器的核心組件，占據(jù)了電容器成本的60%~70%,也決定了電容器的最終性能。近年來(lái)，科研工作者對(duì)多種聚合物電介質(zhì)展開(kāi)了廣泛研究，包括雙軸取向聚丙烯(BOPP)、聚酰亞胺(PI)、聚苯乙烯(PS)、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)、纖維素、甲殼素等。其中BOPP最早實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，也是當(dāng)前主流的商業(yè)化聚合物電介質(zhì)，除此之外，法拉電子等薄膜電容生產(chǎn)廠商的產(chǎn)品中還采用了PET、聚苯硫醚(PPS)和聚萘二甲酸乙二醇(PEN),表2對(duì)比了這4種聚合物基膜構(gòu)成的薄膜電容器的性能。

  3  聚合物薄膜電容器的應(yīng)用領(lǐng)域

  薄膜電容器具有擊穿場(chǎng)強(qiáng)高等諸多特點(diǎn)，在下游的延展性較強(qiáng)，在家電、照明、電力傳輸、國(guó)家智能電網(wǎng)、微電子系統(tǒng)、尖端武器系統(tǒng)、雷達(dá)、新能源汽車、光伏風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，具體可應(yīng)用于如下場(chǎng)景中：冰箱、洗衣機(jī)和空調(diào)等高耗電電器的變頻器中；熒光燈和高壓鈉燈、高壓汞燈等高強(qiáng)氣體放電燈的鎮(zhèn)流器中；高壓直流輸電和柔直輸電工程中（薄膜電容器幾乎占到直流輸電裝備成本的30%);國(guó)家智能電網(wǎng)（電容器可進(jìn)行無(wú)功功率補(bǔ)償，提高功率因素，從而提高電能利用率）；電磁炮等新概念軍事武器中（電容器可提供大的輸出功率）。此外，近年來(lái)隨著新能源行業(yè)的蓬勃發(fā)展，薄膜電容器的應(yīng)用也延伸至光伏風(fēng)電和新能源電動(dòng)汽車等高端領(lǐng)域，下面介紹薄膜電容在新能源領(lǐng)域的應(yīng)用狀況。

  3.1光伏風(fēng)電

  面對(duì)傳統(tǒng)化石能源日漸枯竭以及能源供需矛盾逐漸凸顯的現(xiàn)狀，推動(dòng)太陽(yáng)能、風(fēng)能、生物質(zhì)能和潮汐能等綠色新能源的發(fā)展成了必然之舉。如何將這些分散、間斷的能源平穩(wěn)輸出并安全并網(wǎng)，是新能源發(fā)電系統(tǒng)的突破難點(diǎn)。

  光伏逆變器和風(fēng)力交流器是光伏和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的核心部件之一，可將太陽(yáng)能和風(fēng)能電池組件產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)化為交流電以并入公共電網(wǎng)（公用電網(wǎng)使用交流電壓）。逆變器和交流器工作時(shí)除了保證直流(DC)/交流(AC)轉(zhuǎn)換的同時(shí)，還需要保證輸出電能的質(zhì)量，以免對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)造成影響。相比于電解電容，薄膜電容器具有額定電壓高、壽命長(zhǎng)等特性，被應(yīng)用于光伏逆變器和風(fēng)電變流器的DC-Link（直流支撐）電容中吸收DC-Link端的高脈沖電流，使逆變器和變流器端的電壓穩(wěn)定在可控的范圍內(nèi)。

  3.2新能源電動(dòng)汽車

  在新能源車領(lǐng)域，薄膜電容器的應(yīng)用主要集中在3個(gè)方面：電控組件中逆變器、車載充電器和充電樁。電控是新能源汽車的核心組件之一，將來(lái)自電池的直流電轉(zhuǎn)換為電機(jī)所需的三相交流電，其核心是需要高效制的逆變技術(shù)，逆變的實(shí)現(xiàn)需要一個(gè)IGBT模塊和一個(gè)與之匹配的直流支撐電容器，一般一個(gè)電控部分需用一個(gè)直流支撐電容。早期直流支撐電容器都是采用鋁電解電容，但當(dāng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的最大電壓從500V提高到650V之后，鋁電解電容耐壓不足，越來(lái)越多公司采用BOPP薄膜電容器替代鋁電解電容。薄膜電容在商業(yè)化的新能源汽車上逐步得到應(yīng)用，第一代豐田普銳斯采用電解電容器，但第二代豐田普銳斯改用了薄膜電容器。此外，特斯拉model3、比亞迪“秦”等車型都采用薄膜電容器作為支流支撐電容。車載充電器中使用薄膜電容實(shí)現(xiàn)DC/AC轉(zhuǎn)換，將電網(wǎng)中的交流電轉(zhuǎn)換成直流輸入，為動(dòng)力電池組充電。直流充電樁中則采用薄膜DC-Link電容進(jìn)行緩沖。

  4  聚合物薄膜電容器的市場(chǎng)分析

  4.1全國(guó)和國(guó)內(nèi)市場(chǎng)格局

  從全球市場(chǎng)來(lái)看，早期薄膜電容的需求端主要集中在歐美和日韓，在市場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下，松下、基美、TDK等海外企業(yè)率先進(jìn)入該領(lǐng)域，具有先發(fā)優(yōu)勢(shì)，且在資金和技術(shù)的雙重加持下，一直處于行業(yè)領(lǐng)先地位。華鑫證券展示的薄膜電容全球市場(chǎng)占比情況見(jiàn)圖4,從整體競(jìng)爭(zhēng)格局看，各家市場(chǎng)份額占比較為接近，CR6達(dá)到45%,其中，松下、TDK、Nichicon為日本企業(yè)，基美(2020年被中國(guó)臺(tái)灣國(guó)巨收購(gòu)）、Vishay為美國(guó)企業(yè)，法拉為中國(guó)企業(yè)。近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)家電、工控、新能源電動(dòng)汽車、光伏等領(lǐng)域的發(fā)展，薄膜電容生產(chǎn)端向國(guó)內(nèi)轉(zhuǎn)移，國(guó)內(nèi)企業(yè)逐漸崛起。在中國(guó)，市場(chǎng)參與主體包括跨國(guó)公司的子公司和本土成長(zhǎng)起來(lái)的生產(chǎn)廠商，如法拉電子、江海股份、銅峰電子等。其中，法拉電子深耕薄膜電容達(dá)五十余年，現(xiàn)已成為國(guó)內(nèi)薄膜電容領(lǐng)軍企業(yè)，全球市場(chǎng)占有率8%;江海股份最初為鋁電解電容生產(chǎn)商，于2011年成立子公司新江海動(dòng)力，開(kāi)始拓寬薄膜電容業(yè)務(wù)，主做光伏薄膜電容，2019年與美國(guó)基美合資成立海美電子，將產(chǎn)品延伸至車載薄膜電容。

  4.2未來(lái)市場(chǎng)變化趨勢(shì)

  據(jù)天風(fēng)證券研報(bào)披露，2019年全球電容器市場(chǎng)規(guī)模約203億美元，其中，薄膜電容器占比7%。當(dāng)前薄膜電容正在從過(guò)去家電照明為主的需求驅(qū)動(dòng)，向新能源、光伏風(fēng)電需求驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換，未來(lái)新能源需求的爆發(fā)將提升薄膜電容器的市場(chǎng)容量。

  天風(fēng)證券預(yù)測(cè)未來(lái)薄膜電容市場(chǎng)擴(kuò)容的驅(qū)動(dòng)力主要來(lái)源于新能源領(lǐng)域的發(fā)展，按照新能源汽車和光伏風(fēng)電未來(lái)的成長(zhǎng)性對(duì)薄膜電容的需求進(jìn)行了預(yù)測(cè)。新能源汽車方面，伴隨著全球各國(guó)汽車電動(dòng)化轉(zhuǎn)型目標(biāo)的推進(jìn)，長(zhǎng)期來(lái)看，新能源車增長(zhǎng)確定性高，全球電動(dòng)車銷量在未來(lái)幾年將保持高態(tài)勢(shì)增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)2025年將達(dá)到2516萬(wàn)輛。從薄膜電容單價(jià)來(lái)看，電動(dòng)汽車各家設(shè)計(jì)不同，薄膜電容使用數(shù)量有差異，大約在1~4個(gè)，目前新能源汽車的電容器單個(gè)價(jià)格在200元左右，預(yù)計(jì)單車價(jià)格約400元。以2021年單車價(jià)格為390元，年降2%為測(cè)算基準(zhǔn)，預(yù)計(jì)2025年單車價(jià)格為360元，屆時(shí)全球?qū)?yīng)的新能源汽車薄膜電容市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)到90.5億元。此外，在全球“雙碳”政策背景下，新能源發(fā)電產(chǎn)業(yè)呈穩(wěn)健增長(zhǎng)趨勢(shì)，光伏風(fēng)電行業(yè)的迅猛發(fā)展將帶動(dòng)其產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)元器件的需求。據(jù)天風(fēng)證券預(yù)測(cè)，2025年全球光伏裝機(jī)為449GW,逆變器裝機(jī)472GW,若2021年薄膜電容價(jià)值量為550萬(wàn)元/GW,價(jià)格年降2%,預(yù)計(jì)2025年市場(chǎng)空間分別為23.9億元；2025年全球風(fēng)電裝機(jī)為163GW,逆變器裝機(jī)163GW,假設(shè)2021年薄膜電容價(jià)值量為300萬(wàn)元/GW,價(jià)格年降2%,預(yù)計(jì)年市場(chǎng)空間為5億元。

  5  聚合物電介質(zhì)發(fā)展方向

  5.1提高儲(chǔ)能密度

  科技水平日新月異，電子產(chǎn)品向著高度集成化和小型化的方向發(fā)展。此外，新能源汽車在追求大空間、智能化的過(guò)程中，汽車內(nèi)部配件趨向于高功率密度，對(duì)電子元器件的小型化也提出了更加嚴(yán)格的要求。而與電池和超級(jí)電容器相比，介電電容器的儲(chǔ)能密度最低，這也是制約其發(fā)展的最大短板，因此，在電子電力系統(tǒng)中，往往需要體積較大的電容器來(lái)彌補(bǔ)能量密度不足的問(wèn)題。如何提高電介質(zhì)材料的儲(chǔ)能密度，是薄膜電容器發(fā)展的難點(diǎn)之一，也是國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃和重大科學(xué)研究計(jì)劃的重要支持方向之一[7]。

  薄膜電容器電介質(zhì)材料的儲(chǔ)能密度決定了最終電容器器件的儲(chǔ)能密度。當(dāng)前商業(yè)化程度最高的BOPP,雖然其擊穿場(chǎng)強(qiáng)高達(dá)700MV·m-1,但由于分子鏈非極性，介電常數(shù)僅2.2,導(dǎo)致了其最終的儲(chǔ)能密度僅1~2J·cm-3,遠(yuǎn)低于電力系統(tǒng)的使用要求[8]。根據(jù)電介質(zhì)材料儲(chǔ)能基本原理，電介質(zhì)材料的介電常數(shù)和擊穿場(chǎng)強(qiáng)決定了材料的儲(chǔ)能密度，材料的介電常數(shù)越大，擊穿場(chǎng)強(qiáng)越高，則儲(chǔ)能密度越大?，F(xiàn)學(xué)術(shù)界已展開(kāi)多項(xiàng)研究，針對(duì)電介質(zhì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)以提高儲(chǔ)能密度，這些研究可以分為提高介電常數(shù)和提高擊穿場(chǎng)強(qiáng)兩大類別。在工業(yè)界，薄膜電容的尺寸也在逐步小型化，從松下的薄膜電容器產(chǎn)品變化看，當(dāng)前其薄膜電容器產(chǎn)品的體積僅為其第一代產(chǎn)品體積的60%,而正在開(kāi)發(fā)的下一代產(chǎn)品的體積目標(biāo)將低于第一代的一半。

  5.2發(fā)展耐高溫應(yīng)用

  電容器作為換能元件，在電子電力系統(tǒng)、電動(dòng)汽車等使用場(chǎng)合中，不可避免地存在高溫使用情況，例如，電動(dòng)汽車電機(jī)系統(tǒng)的工作溫度范圍在125~140°C,而B(niǎo)OPP電介質(zhì)的最優(yōu)使用溫度約70°C,因此，在使用過(guò)程中需要額外的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行降溫[8]。其次，聚合物薄膜電介質(zhì)本身存在的電滯或電導(dǎo)損耗，也會(huì)產(chǎn)生熱量影響電容器的性能，甚至?xí)蛊浒l(fā)生熱擊穿而失效。而聚合物薄膜電容器的一個(gè)固有缺點(diǎn)是高溫條件下其介電儲(chǔ)能性能變差、可靠性大幅下降。因此，開(kāi)發(fā)耐高溫可靠聚合物電介質(zhì)已成為薄膜電容器發(fā)展的技術(shù)瓶頸之一，也是學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)之一。針對(duì)該問(wèn)題，采取的研究思路主要是選取分子鏈中帶有芳雜環(huán)的耐高溫非極性線性聚合物（非極性聚合物電滯損耗低）作為電介質(zhì)材料，如聚碳酸酯(PC)、聚酰胺酰亞胺(PAI)、聚芳醚酮(PPEK)和聚醚醚酮(PEEK)等。

  6  結(jié)語(yǔ)

  介電電容器作為最基本的無(wú)源元件之一，現(xiàn)幾乎存在于所有的現(xiàn)代電子電力設(shè)備中。聚合物薄膜電容器具有擊穿場(chǎng)強(qiáng)高、質(zhì)輕、價(jià)格低廉和機(jī)械性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)，在家電、照明、國(guó)家電網(wǎng)、尖端武器、新能源汽車、光伏風(fēng)電并網(wǎng)等多個(gè)領(lǐng)域具有極好的應(yīng)用前景。隨著國(guó)內(nèi)工控和新能源等領(lǐng)域的發(fā)展，薄膜電容的生產(chǎn)和消費(fèi)逐漸由歐美、日韓向國(guó)內(nèi)轉(zhuǎn)移。此外，新能源車、光伏風(fēng)電發(fā)電系統(tǒng)的蓬勃發(fā)展將拉動(dòng)薄膜電容的需求，也將成為其未來(lái)市場(chǎng)增長(zhǎng)的最大驅(qū)動(dòng)力。薄膜電容發(fā)展的局限性在于聚合物電介質(zhì)的儲(chǔ)能密度較低，且耐高溫應(yīng)用有待進(jìn)一步優(yōu)化，這兩方面是聚合物電介質(zhì)的突破難點(diǎn)和未來(lái)的發(fā)展方向，當(dāng)前學(xué)術(shù)界已針對(duì)此問(wèn)題展開(kāi)了多項(xiàng)研究，以進(jìn)一步拓寬薄膜電容的應(yīng)用市場(chǎng)。