聚合物基薄膜电容器的应用现状和市场前景分析

聚合物基薄膜电容器的应用现状和市场前景分析

聚合物基薄膜电容器凭借其高功率密度、长循环寿命等优势，在高功率应用领域展现出独特价值。本文将深入探讨聚合物基薄膜电容器的应用现状、市场前景以及未来发展方向。

在薄膜电容器中，聚苯硫醚PPS塑料既可以做电容器外壳，替代金属，实现轻量化等；也可以做为基材薄膜，用于电介质薄膜，相比PP等材料，极大提高耐热性能，扩展薄膜电容器应用领域。

当前主流的储能器件包括电池、超级电容器和介电电容器，储能密度、功率密度对比见图1。

图1 不同储能器件的能量密度和功率密度对比

其中，电池具有最高的储能密度，可提供长期平稳的能量输出，已成为应用最为广泛的储能器件，但最低的功率密度制约了其在需要快速充放电的功率设备中的使用；

超级电容器虽储能密度和功率密度均适中，但其操作电压低、内阻大、安装位置不合理易引起电解质泄漏等不足，限制了其应用潜能。

与前两种储能器件相比，介电电容器虽储能密度最低，仅为同尺寸电池的万分之一，但高达兆瓦每千克的功率密度使其充放电速率可达微秒级别，且循环寿命远高于电池，使其更适合高功率应用，尤其是在脉冲功率应用方面具有不可替代的优势，甚至是军事设备脉冲电源的唯一选择。

介电电容器的物理基础

储能机理

介电电容器最初的原型为“莱顿瓶”，现在通常由两个充满绝缘电介质的导电极板组成。介电电容器储能的物理基础是电介质在施加电场下的极化和退极化过程，图2为介电电容器充电过程的示意。

图2 介电电容器充电过程示意

充电前，没有施加电场作用时电介质中的偶极子散乱排布，极板上无电荷；充电时，在外部电压的作用下，电介质内部发生电极化，偶极子顺着电场的方向有序排列，在电极上激发出等量异号的极化电荷，当极化电荷在平板表面上所产生的电势等于施加的电压时，充电过程终止；移除外加电场后，偶极子又重新恢复到散乱排布的无序状态，从而实现对外放电。

电介质的储能密度由介电常数和击穿场强共同决定，在施加场强接近击穿场强时达到最大值。

介电电容器性能比较

电介质是指在外电场的作用下能产生电极化现象的物质，根据电介质材料的不同，介电电容器可分为陶瓷电容器、铝电解电容器、钽电解电容器和薄膜电容器4大类。

薄膜电容器

从表1可以看出，每种电介质材料都有其自身的优势和局限性，因此适用范围也有所区别。

目前，用于高功率应用的商业电介质主要是多层陶瓷电容器(MLCC)和薄膜电容器。相比传统的陶瓷电容器和电解电容器，薄膜电容器具有诸多优势，如击穿场强高、机械柔韧性良好、密度低、易加工和成本低廉等,具有较好的发展前景。

聚合物薄膜电容器的结构特点和性能对比

结构特点

薄膜电容器是以聚合物薄膜为电介质的电容器，其技术起源是19世纪后半期所发明的纸介质电容器，即将浸渍了油、石蜡的纸插在铝箔中并卷成卷状的电容器。

薄膜电容器主要由金属电极、聚合物基膜、导线和封装树脂4种主要材料构成。

薄膜电容器

此外，根据内部电极形成方法的不同，可分为箔电极型与蒸镀电极型（金属化薄膜型）2种，箔电极型是使用金属箔（铝、锡、铜）重叠塑料薄膜卷绕而成电容器，蒸镀电极型是在塑料薄膜上蒸镀金属（铝、锌等）形成内部电极。

薄膜电容器性能对比

基膜是薄膜电容器的核心组件，占据了电容器成本的60%~70%,也决定了电容器的最终性能。近年来，科研工作者对多种聚合物电介质展开了广泛研究，包括双轴取向聚丙烯(BOPP)、聚酰亚胺(PI)、聚苯乙烯(PS)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、纤维素、甲壳素等。

其中BOPP最早实现商业化，也是当前主流的商业化聚合物电介质，除此之外，法拉电子等薄膜电容生产厂商的产品中还采用了PET、聚苯硫醚(PPS)和聚萘二甲酸乙二醇(PEN),表2对比了这4种聚合物基膜构成的薄膜电容器的性能。

聚合物薄膜电容器的应用领域

薄膜电容器具有击穿场强高等诸多特点，在下游的延展性较强，在家电、照明、电力传输、国家智能电网、微电子系统、尖端武器系统、雷达、新能源汽车、光伏风力发电等领域具有广泛的应用前景，具体可应用于如下场景中：

• 冰箱、洗衣机和空调等高耗电电器的变频器中；
• 荧光灯和高压钠灯、高压汞灯等高强气体放电灯的镇流器中；
• 高压直流输电和柔直输电工程中（薄膜电容器几乎占到直流输电装备成本的30%);
• 国家智能电网（电容器可进行无功功率补偿，提高功率因素，从而提高电能利用率）；
• 电磁炮等新概念军事武器中（电容器可提供大的输出功率）。

此外，近年来随着新能源行业的蓬勃发展，薄膜电容器的应用也延伸至光伏风电和新能源电动汽车等高端领域，下面介绍薄膜电容在新能源领域的应用状况。

光伏风电

光伏逆变器和风力交流器是光伏和风力发电系统中的核心部件之一，可将太阳能和风能电池组件产生的直流电转化为交流电以并入公共电网（公用电网使用交流电压）。

逆变器和交流器工作时除了保证直流(DC)/交流(AC)转换的同时，还需要保证输出电能的质量，以免对电网系统造成影响。相比于电解电容，薄膜电容器具有额定电压高、寿命长等特性，被应用于光伏逆变器和风电变流器的DC-Link（直流支撑）电容中吸收DC-Link端的高脉冲电流，使逆变器和变流器端的电压稳定在可控的范围内。

新能源电动汽车

在新能源车领域，薄膜电容器的应用主要集中在3个方面：电控组件中逆变器、车载充电器和充电桩。电控是新能源汽车的核心组件之一，将来自电池的直流电转换为电机所需的三相交流电，其核心是需要高效制的逆变技术，逆变的实现需要一个IGBT模块和一个与之匹配的直流支撑电容器，一般一个电控部分需用一个直流支撑电容。

金属化聚丙烯膜交流电动机电容器(塑料外壳) 图源：法拉电子

早期直流支撑电容器都是采用铝电解电容，但当电机驱动的最大电压从500V提高到650V之后，铝电解电容耐压不足，越来越多公司采用BOPP薄膜电容器替代铝电解电容。薄膜电容在商业化的新能源汽车上逐步得到应用，第一代丰田普锐斯采用电解电容器，但第二代丰田普锐斯改用了薄膜电容器。

此外，特斯拉model3、比亚迪“秦”等车型都采用薄膜电容器作为支流支撑电容。车载充电器中使用薄膜电容实现DC/AC转换，将电网中的交流电转换成直流输入，为动力电池组充电。直流充电桩中则采用薄膜DC-Link电容进行缓冲。

聚合物薄膜电容器的市场分析

全国和国内市场格局

从全球市场来看，早期薄膜电容的需求端主要集中在欧美和日韩，在市场的驱动下，松下、基美、TDK等海外企业率先进入该领域，具有先发优势，且在资金和技术的双重加持下，一直处于行业领先地位。华鑫证券展示的薄膜电容全球市场占比情况见图4。

图4 薄膜电容全球市场格局

从整体竞争格局看，各家市场份额占比较为接近，CR6达到45%,其中，松下、TDK、Nichicon为日本企业，基美(2020年被中国台湾国巨收购）、Vishay为美国企业，法拉为中国企业。

近年来，随着国内家电、工控、新能源电动汽车、光伏等领域的发展，薄膜电容生产端向国内转移，国内企业逐渐崛起。在中国，市场参与主体包括跨国公司的子公司和本土成长起来的生产厂商，如法拉电子、江海股份、铜峰电子等。

其中，法拉电子深耕薄膜电容达五十余年，现已成为国内薄膜电容领军企业，全球市场占有率8%;江海股份最初为铝电解电容生产商，于2011年成立子公司新江海动力，开始拓宽薄膜电容业务，主做光伏薄膜电容，2019年与美国基美合资成立海美电子，将产品延伸至车载薄膜电容。

未来市场变化趋势

据天风证券研报披露，2019年全球电容器市场规模约203亿美元，其中，薄膜电容器占比7%。当前薄膜电容正在从过去家电照明为主的需求驱动，向新能源、光伏风电需求驱动转换，未来新能源需求的爆发将提升薄膜电容器的市场容量。

全球电动车销量在未来几年将保持高态势增长，预计2025年将达到2516万辆。

从薄膜电容单价来看，电动汽车各家设计不同，薄膜电容使用数量有差异，大约在1~4个，目前新能源汽车的电容器单个价格在200元左右，预计单车价格约400元。以2021年单车价格为390元，年降2%为测算基准，预计2025年单车价格为360元，届时全球对应的新能源汽车薄膜电容市场规模有望达到90.5亿元。

据预测，2025年全球光伏装机为449GW,逆变器装机472GW,若2021年薄膜电容价值量为550万元/GW,价格年降2%,预计2025年市场空间分别为23.9亿元；2025年全球风电装机为163GW,逆变器装机163GW,假设2021年薄膜电容价值量为300万元/GW,价格年降2%,预计年市场空间为5亿元。

聚合物电介质发展方向

提高储能密度

与电池和超级电容器相比，介电电容器的储能密度最低，这也是制约其发展的最大短板，因此，在电子电力系统中，往往需要体积较大的电容器来弥补能量密度不足的问题。

如何提高电介质材料的储能密度，是薄膜电容器发展的难点之一，也是国家重点基础研究发展计划和重大科学研究计划的重要支持方向之一。

薄膜电容器电介质材料的储能密度决定了最终电容器器件的储能密度。当前商业化程度最高的BOPP,虽然其击穿场强高达700MV·m-1,但由于分子链非极性，介电常数仅2.2,导致了其最终的储能密度仅1~2J·cm-3,远低于电力系统的使用要求。

根据电介质材料储能基本原理，电介质材料的介电常数和击穿场强决定了材料的储能密度，材料的介电常数越大，击穿场强越高，则储能密度越大。

现学术界已展开多项研究，针对电介质的结构进行设计以提高储能密度，这些研究可以分为提高介电常数和提高击穿场强两大类别。

在工业界，薄膜电容的尺寸也在逐步小型化，从松下的薄膜电容器产品变化看，当前其薄膜电容器产品的体积仅为其第一代产品体积的60%,而正在开发的下一代产品的体积目标将低于第一代的一半。

发展耐高温应用

电容器作为换能元件，在电子电力系统、电动汽车等使用场合中，不可避免地存在高温使用情况，例如，电动汽车电机系统的工作温度范围在125~140°C,而BOPP电介质的最优使用温度约70°C,因此，在使用过程中需要额外的冷却系统进行降温。

其次，聚合物薄膜电介质本身存在的电滞或电导损耗，也会产生热量影响电容器的性能，甚至会使其发生热击穿而失效。而聚合物薄膜电容器的一个固有缺点是高温条件下其介电储能性能变差、可靠性大幅下降。因此，开发耐高温可靠聚合物电介质已成为薄膜电容器发展的技术瓶颈之一，也是学术界的研究热点之一。

针对该问题，采取的研究思路主要是选取分子链中带有芳杂环的耐高温非极性线性聚合物（非极性聚合物电滞损耗低）作为电介质材料，如聚苯硫醚（PPS）、聚碳酸酯(PC)、聚酰胺酰亚胺(PAI)、聚芳醚酮(PPEK)和聚醚醚酮(PEEK)等。

高耐温金属化薄膜车载电容器(125°C) 图源：法拉电子

综上，介电电容器作为最基本的无源元件之一，现几乎存在于所有的现代电子电力设备中。聚合物薄膜电容器具有击穿场强高、质轻、价格低廉和机械性能优异等优点，在家电、照明、国家电网、尖端武器、新能源汽车、光伏风电并网等多个领域具有极好的应用前景。

随着国内工控和新能源等领域的发展，薄膜电容的生产和消费逐渐由欧美、日韩向国内转移。

此外，新能源车、光伏风电发电系统的蓬勃发展将拉动薄膜电容的需求，也将成为其未来市场增长的最大驱动力。

薄膜电容发展的局限性在于聚合物电介质的储能密度较低，且耐高温应用有待进一步优化，这两方面是聚合物电介质的突破难点和未来的发展方向，当前学术界已针对此问题展开了多项研究，以进一步拓宽薄膜电容的应用市场。