聚合物基薄膜電容器的應用現狀和市場分析研究

王錦玉，盧文新

(中國五環工程有限公司，湖北 武漢 430223)

能源在人類的生活中扮演著至關重要的角色，已成為全球的熱點話題之一。能源結構的調整和電子設備的迭代升級，對能量存儲、轉換的技術和器件的性能提出了愈加嚴格的要求，其中，儲能成為亟待突破的關鍵技術之一。

當前主流的儲能器件包括電池、超級電容器和介電電容器[1]，儲能密度、功率密度對比見圖1。其中，電池具有最高的儲能密度，可提供長期平穩的能量輸出，已成為應用最為廣泛的儲能器件，但最低的功率密度制約了其在需要快速充放電的功率設備中的使用；超級電容器雖儲能密度和功率密度均適中，但其操作電壓低、內阻大、安裝位置不合理易引起電解質泄漏等不足，限制了其應用潛能。與前兩種儲能器件相比，介電電容器雖儲能密度最低，僅為同尺寸電池的萬分之一，但高達兆瓦每千克的功率密度使其充放電速率可達微秒級別，且循環壽命遠高于電池，這些特點使其更適合高功率應用，尤其是在脈沖功率應用方面具有不可替代的優勢，甚至是軍事設備脈沖電源的唯一選擇。

圖1 不同儲能器件的能量密度和功率密度對比

1 介電電容器的物理基礎

1.1 儲能機理

介電電容器最初的原型為“萊頓瓶”，現在通常由兩個充滿絕緣電介質的導電極板組成[2]。介電電容器儲能的物理基礎是電介質在施加電場下的極化和退極化過程，圖2為介電電容器充電過程的示意。充電前，沒有施加電場作用時電介質中的偶極子散亂排布，極板上無電荷；充電時，在外部電壓的作用下，電介質內部發生電極化，偶極子順著電場的方向有序排列，在電極上激發出等量異號的極化電荷，當極化電荷在平板表面上所產生的電勢等于施加的電壓時，充電過程終止；移除外加電場后，偶極子又重新恢復到散亂排布的無序狀態，從而實現對外放電。

圖2 介電電容器充電過程示意

在充電過程中，電能以靜電場形式被儲存在電介質中[3]。根據經典的電磁學理論，儲能密度Ue可以表示為[4]：

其中，E為外部施加電場場強，D為電介質的電位移，D與外加電場E相關，它們之間的關系為：

D=ε0εrE

其中，ε0為真空介電常數，εr為相對介電常數。對于線性電介質，相對介電常數εr始終為常數，不隨外加電場的變化而變化，因此，其儲能密度的計算公式可表達成：

由上式可以看出，電介質的儲能密度由介電常數和擊穿場強共同決定，在施加場強接近擊穿場強時達到最大值。電介質的儲能密度Ue，可通過對電位移-電場強度(D-E電滯洄線)之間的有效面積積分計算得到(見圖3中綠色陰影區域所示)。此外，電介質并非完全絕緣，載流子的存在不可避免地存在電導損耗，且交流電場作用時高頻下偶極子的極化弛豫也會帶來損耗，電介質放電過程中消耗的能量密度Ui見圖3中灰色陰影區域所示。

圖3 電位移-電場強度電滯洄線[5]

1.2 介電電容器性能比較

電介質是指在外電場的作用下能產生電極化現象的物質，根據電介質材料的不同，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。電介質材料的性能很大程度上決定了電容器的性能，表1對上述4種電容器的性能進行了對比。從表1可以看出，每種電介質材料都有其自身的優勢和局限性，因此適用范圍也有所區別。目前，用于高功率應用的商業電介質主要是多層陶瓷電容器(MLCC)和薄膜電容器。相比傳統的陶瓷電容器和電解電容器，薄膜電容器具有諸多優勢，如擊穿場強高、機械柔韌性良好、密度低、易加工和成本低廉等[6]，具有較好的發展前景。

表1 各類介電電容器對比

2 聚合物薄膜電容器的結構特點和性能對比

2.1 結構特點

薄膜電容器是以聚合物薄膜為電介質的電容器，其技術起源是19世紀后半期所發明的紙介質電容器，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、導線和封裝樹脂4種主要材料構成。此外，根據內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)形成內部電極。

2.2 薄膜電容器性能對比

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

表2 不同聚合物電介質薄膜電容器對比

3 聚合物薄膜電容器的應用領域

薄膜電容器具有擊穿場強高等諸多特點，在下游的延展性較強，在家電、照明、電力傳輸、國家智能電網、微電子系統、尖端武器系統、雷達、新能源汽車、光伏風力發電等領域具有廣泛的應用前景，具體可應用于如下場景中：冰箱、洗衣機和空調等高耗電電器的變頻器中；熒光燈和高壓鈉燈、高壓汞燈等高強氣體放電燈的鎮流器中；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%)；國家智能電網(電容器可進行無功功率補償，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，近年來隨著新能源行業的蓬勃發展，薄膜電容器的應用也延伸至光伏風電和新能源電動汽車等高端領域，下面介紹薄膜電容在新能源領域的應用狀況。

3.1 光伏風電

面對傳統化石能源日漸枯竭以及能源供需矛盾逐漸凸顯的現狀，推動太陽能、風能、生物質能和潮汐能等綠色新能源的發展成了必然之舉。如何將這些分散、間斷的能源平穩輸出并安全并網，是新能源發電系統的突破難點。

光伏逆變器和風力交流器是光伏和風力發電系統中的核心部件之一，可將太陽能和風能電池組件產生的直流電轉化為交流電以并入公共電網(公用電網使用交流電壓)。逆變器和交流器工作時除了保證直流(DC)/交流(AC)轉換的同時，還需要保證輸出電能的質量，以免對電網系統造成影響。相比于電解電容，薄膜電容器具有額定電壓高、壽命長等特性，被應用于光伏逆變器和風電變流器的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定在可控的范圍內。

3.2 新能源電動汽車

在新能源車領域，薄膜電容器的應用主要集中在3個方面：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，將來自電池的直流電轉換為電機所需的三相交流電，其核心是需要高效制的逆變技術，逆變的實現需要一個IGBT模塊和一個與之匹配的直流支撐電容器，一般一個電控部分需用一個直流支撐電容。早期直流支撐電容器都是采用鋁電解電容，但當電機驅動的最大電壓從500V提高到650V之后，鋁電解電容耐壓不足，越來越多公司采用BOPP薄膜電容器替代鋁電解電容。薄膜電容在商業化的新能源汽車上逐步得到應用，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model 3、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現DC/AC轉換，將電網中的交流電轉換成直流輸入，為動力電池組充電。直流充電樁中則采用薄膜DC-Link電容進行緩沖。

4 聚合物薄膜電容器的市場分析

4.1 全國和國內市場格局

從全球市場來看，早期薄膜電容的需求端主要集中在歐美和日韓，在市場的驅動下，松下、基美、TDK等海外企業率先進入該領域，具有先發優勢，且在資金和技術的雙重加持下，一直處于行業領先地位。華鑫證券展示的薄膜電容全球市場占比情況見圖4，從整體競爭格局看，各家市場份額占比較為接近，CR6達到45%，其中，松下、TDK、Nichicon為日本企業，基美(2020年被中國臺灣國巨收購)、Vishay為美國企業，法拉為中國企業。近年來，隨著國內家電、工控、新能源電動汽車、光伏等領域的發展，薄膜電容生產端向國內轉移，國內企業逐漸崛起。在中國，市場參與主體包括跨國公司的子公司和本土成長起來的生產廠商，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五十余年，現已成為國內薄膜電容領軍企業，全球市場占有率8%；江海股份最初為鋁電解電容生產商，于2011年成立子公司新江海動力，開始拓寬薄膜電容業務，主做光伏薄膜電容，2019年與美國基美合資成立海美電子，將產品延伸至車載薄膜電容。

圖4 薄膜電容全球市場格局

4.2 未來市場變化趨勢

據天風證券研報披露，2019年全球電容器市場規模約203億美元，其中，薄膜電容器占比7%。當前薄膜電容正在從過去家電照明為主的需求驅動，向新能源、光伏風電需求驅動轉換，未來新能源需求的爆發將提升薄膜電容器的市場容量。

天風證券預測未來薄膜電容市場擴容的驅動力主要來源于新能源領域的發展，按照新能源汽車和光伏風電未來的成長性對薄膜電容的需求進行了預測。新能源汽車方面，伴隨著全球各國汽車電動化轉型目標的推進，長期來看，新能源車增長確定性高，全球電動車銷量在未來幾年將保持高態勢增長，預計2025年將達到2 516萬輛。從薄膜電容單價來看，電動汽車各家設計不同，薄膜電容使用數量有差異，大約在1～4個，目前新能源汽車的電容器單個價格在200元左右，預計單車價格約400元。以2021年單車價格為390元，年降2%為測算基準，預計2025年單車價格為360元，屆時全球對應的新能源汽車薄膜電容市場規模有望達到90.5億元。此外，在全球“雙碳”政策背景下，新能源發電產業呈穩健增長趨勢，光伏風電行業的迅猛發展將帶動其產業鏈相關元器件的需求。據天風證券預測，2025年全球光伏裝機為449GW，逆變器裝機472GW，若2021年薄膜電容價值量為550萬元/GW，價格年降2%，預計2025年市場空間分別為23.9億元；2025年全球風電裝機為163GW，逆變器裝機163GW，假設2021年薄膜電容價值量為300萬元/GW，價格年降2%，預計年市場空間為5億元。

5 聚合物電介質發展方向

5.1 提高儲能密度

科技水平日新月異，電子產品向著高度集成化和小型化的方向發展。此外，新能源汽車在追求大空間、智能化的過程中，汽車內部配件趨向于高功率密度，對電子元器件的小型化也提出了更加嚴格的要求。而與電池和超級電容器相比，介電電容器的儲能密度最低，這也是制約其發展的最大短板，因此，在電子電力系統中，往往需要體積較大的電容器來彌補能量密度不足的問題。如何提高電介質材料的儲能密度，是薄膜電容器發展的難點之一，也是國家重點基礎研究發展計劃和重大科學研究計劃的重要支持方向之一[7]。

薄膜電容器電介質材料的儲能密度決定了最終電容器器件的儲能密度。當前商業化程度最高的BOPP，雖然其擊穿場強高達700 MV· m-1，但由于分子鏈非極性，介電常數僅2.2，導致了其最終的儲能密度僅1～2 J· cm-3，遠低于電力系統的使用要求[8]。根據電介質材料儲能基本原理，電介質材料的介電常數和擊穿場強決定了材料的儲能密度，材料的介電常數越大，擊穿場強越高，則儲能密度越大。現學術界已展開多項研究，針對電介質的結構進行設計以提高儲能密度，這些研究可以分為提高介電常數和提高擊穿場強兩大類別。在工業界，薄膜電容的尺寸也在逐步小型化，從松下的薄膜電容器產品變化看，當前其薄膜電容器產品的體積僅為其第一代產品體積的60%，而正在開發的下一代產品的體積目標將低于第一代的一半。

5.2 發展耐高溫應用

電容器作為換能元件，在電子電力系統、電動汽車等使用場合中，不可避免地存在高溫使用情況，例如，電動汽車電機系統的工作溫度范圍在125～140 °C，而BOPP電介質的最優使用溫度約70 °C，因此，在使用過程中需要額外的冷卻系統進行降溫[8]。其次，聚合物薄膜電介質本身存在的電滯或電導損耗，也會產生熱量影響電容器的性能，甚至會使其發生熱擊穿而失效。而聚合物薄膜電容器的一個固有缺點是高溫條件下其介電儲能性能變差、可靠性大幅下降。因此，開發耐高溫可靠聚合物電介質已成為薄膜電容器發展的技術瓶頸之一，也是學術界的研究熱點之一。針對該問題，采取的研究思路主要是選取分子鏈中帶有芳雜環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 結語

介電電容器作為最基本的無源元件之一，現幾乎存在于所有的現代電子電力設備中。聚合物薄膜電容器具有擊穿場強高、質輕、價格低廉和機械性能優異等優點，在家電、照明、國家電網、尖端武器、新能源汽車、光伏風電并網等多個領域具有極好的應用前景。隨著國內工控和新能源等領域的發展，薄膜電容的生產和消費逐漸由歐美、日韓向國內轉移。此外，新能源車、光伏風電發電系統的蓬勃發展將拉動薄膜電容的需求，也將成為其未來市場增長的最大驅動力。薄膜電容發展的局限性在于聚合物電介質的儲能密度較低，且耐高溫應用有待進一步優化，這兩方面是聚合物電介質的突破難點和未來的發展方向，當前學術界已針對此問題展開了多項研究，以進一步拓寬薄膜電容的應用市場。