电容器是一种在两片接近的导体间夹一层绝缘材料或介质而制成的用于储存电荷的元件。在电容器的两个极板之间施加电压时,电容器就会储存电荷,电容器的电容量在数值上等于一个导电极板上的电荷量与两个极板之间的电压之比。
电容器可以阻止直流电流动,允许限量的交流电通过,具有“通交流、阻直流”的特性,主要作用包括电荷储存、平滑电压、耦合、滤波、旁路等,是电子线路中必不可少的基础电子元件。
电容器是电子元器件产业的重要组成部分,与电阻器、电感器并称为三大基础被动电子元件。根据思瀚报告的数据显示,2023 年我国电容器市场规模约为 1,321.53亿元,同比增长 5.72%。预计 2024 年,我国电容器市场规模将增长至 1,380.00 亿元。
2、薄膜电容器的分类及市场规模情况
薄膜电容器是以金属箔或金属化膜作为电极,以有机塑料薄膜作为电介质,通过卷绕方式制作成的电容器,具有无极性、高频损耗小(ESR 低)、温度特性好、容量精度高、寿命长等特点。按照电容器内部电极的形成分类,可分为箔电极型和蒸镀电极型;按照加工方法分类,可分为积层型和卷绕型;按照薄膜介质的材料分类,主要包括 PP、PET、PPS 等
薄膜电容器作为基础电子元件,其应用场景已从家电、照明、工控、电力、电气化铁路领域拓展至光伏风电、新型储能、新能源汽车、柔性直流输电等新兴行业,按照应用领域进行划分,薄膜电容器可分为以下类别:
通用(工业用、消费类用):平滑、蓄电、DC 链接、耦合、滤波电路、谐振电路、缓冲电路、车载用等
EMI 抑制电容器:电源用 EMC 滤波器的跨线用、线路旁路用等
容量性电源电容器:串联在电网的智能仪表用电容器等,要求高可靠性、稳定性、耐久性的用途
交流电动机驱动用电容器:工业设备、家电设备等中所使用的感应电动机的启动和运行用电容器
大功率电子设备用电容器:除了用于改善功率因数外,也用于太阳能发电、风力发电、新能源汽车、柔性输电、UPS(不停电电源装置)等多个领域
3、电容器的分类
根据电极材料的不同,电容器可分为薄膜电容器、铝电解电容器、钽电解电容器、陶瓷电容器等,其中,铝电解电容器主要包括液态铝电容器和固态铝电容器。
4、薄膜电容器行业产业链
薄膜电容器产业链上游主要为聚丙烯树脂等原材料生产企业。聚丙烯树脂系电容器用 BOPP 薄膜的主要原材料,由于聚丙烯树脂是原油的下游产品,其价格与原油价格密切相关,原油价格的大幅上涨会导致聚丙烯树脂的价格上涨。
薄膜电容器产业链中游为 BOPP 薄膜生产企业,BOPP 薄膜生产企业采购聚丙烯树脂后生产出基膜产品,再通过镀膜设备将基膜表面镀上一层金属镀层形成金属化膜。
薄膜电容器产业链下游为电容器生产企业,电容器生产企业在金属化膜的基础上,经过切膜、卷绕、热压、编带、喷金、赋能、焊合等工序生产出薄膜电容器,薄膜电容器具有自愈性、绝缘阻抗高、介质损耗小、介电强度高、使用寿命长、频率特性优异等优点,现已广泛应用于新能源汽车、光伏、风力发电、电气化铁路、电子、电力、家用电器等各种领域。
随着下游应用领域的不断丰富,对薄膜电容器的产品性能提出了更高要求,这也对薄膜电容器相关 BOPP 薄膜材料生产工艺、产品性能不断提升起着推动作用。
从需求端来看,薄膜电容器市场处于新旧动能转换阶段,照明市场需求下滑,家电市场逐渐触底。新能源领域逐渐放量,新能源汽车、光伏、风力发电、柔性输电未来几年将保持高速增长状态,新能源领域将成为薄膜电容器主要的增量市场。
21 世纪以来,我国家用电器、电子、信息产业等行业持续平稳增长,同时,国家加大对电力基础设施的投资,以及西电东送、城乡电网改造、超高压柔性直流输电等工程的实施直接拉动了薄膜电容器的市场需求。据统计,截至 2019 年,我国已是世界上最大的薄膜电容器制造国,2019 年我国薄膜电容器市场规模为 90.40亿元,约占全球市场规模的 60%以上,位居全球第一。
根据思瀚数据,2023年我国薄膜电容器产量为 851.2 亿只,需求量为 1063.7 亿只,市场规模为 154.2 亿元。从应用领域来看,光伏、风电、新能源汽车等新能源领域及家电等领域为薄膜电容器的主要应用领域。从未来发展趋势上看,近年来家电需求随着技术革新及替代率的升高导致需求逐渐下滑,且随着国补政策等文件的稳步出台,该下滑趋势逐步触底。
而得益于自身自愈性、绝缘阻抗高、介质损耗小、介电强度高、使用寿命长、频率特性优异等优点,薄膜电容器在新能源汽车、光伏、风力发电、柔性直流输电等领域的应用将得到拓展。未来随着碳中和目标进程的不断推进,薄膜电容器需求有望进一步成长。
5、下游终端应用领域及市场前景分析
(1)新能源领域
①新能源汽车
薄膜电容器在新能源汽车领域中的应用主要包括电驱、车载充电器(OBC)以及配套充电桩等。在新能源汽车中,电驱是最重要的核心部件,主要将动力电池输出的直流电转换成交流电,但转换的过程中会产生急剧变化的电流,造成大幅震荡电压,从而导致其他半导体器件耐压值逐渐恶化并产生噪音,而薄膜电容器具备良好的滤波、谐振、吸收脉冲电压、缓冲功能,可以对上述剧烈变化的电流进行吸收,保护电路系统,消除电路中的高频噪声。除此以外,充电电路、DC/DC、AC/DC转换器等亦需要使用不同类型的薄膜电容器,是薄膜电容器的重要应用场景。
2020 年 11 月,国务院发布《新能源汽车产业发展规划(2021—2035 年)》,提出发展新能源汽车是我国从汽车大国迈向汽车强国的必由之路,明确了新能源汽车在 2025 年和 2035 年的发展目标。到 2025 年,我国纯电动乘用车新车平均电耗降至 12.0 千瓦时/百公里,新能源汽车新车销售量达到汽车新车销售总量的 20%左右;到 2035 年,纯电动汽车成为新销售车辆的主流,公共领域用车全面电动化,燃料电池汽车实现商业化应用。
2021 年 10 月,国务院发布《2030 年前碳达峰行动方案》,要求加快形成绿色低碳运输方式,确保交通运输领域碳排放增长保持在合理区间,大力推广新能源汽车,逐步降低传统燃油汽车在新车产销和汽车保有量中的占比,推动城市公共服务车辆电动化替代,推广电力、氢燃料、液化天然气动力重型货运车辆。中国是全球最大的新能源汽车市场,未来随着智能化不断推进,电动车市场竞争力持续提升,产业将进入市场驱动、稳定成长阶段。
同时,在全球碳达峰及碳中和战略背景下,国家政策宏观调控,各地方政府纷纷出台配套措施,积极落实中央要求,新能源汽车行业环境持续向好,为行业高景气度延续加码助力。根据中国汽车工业协会的数据,2016-2023 年我国新能源汽车年销量由 50.7 万辆增至 949.5 万辆,渗透率由 1.81%增至 31.55%。根据 EV Tank 数据预测,到 2030 年中国新能源汽车销量将达到 2,000 万辆,未来存在较高增长空间。
受益我国新能源汽车的快速发展,我国新能源汽车用薄膜电容需求强劲。根据我国新能源汽车销量进行分析,2023 年我国新能源汽车销量为 949.5 万辆,一般情况下,每辆新能源车电驱部分,用 1 只定制薄膜电容器,四驱的电动汽车还会使用1 只辅驱用定制薄膜电容器,按新能源汽车领域薄膜电容器产值为 450 元/辆(包括车载 OBC),根据我国新能源汽车销量进行分析,2023 年我国新能源汽车领域的薄膜电容器产值为 42.73 亿元。
②光伏发电
光伏逆变器是光伏发电系统的心脏,其功能是将光伏阵列组件产生的直流电,通过电力电子变换技术转化为日常生活所需的交流电并入电网,是光伏电站重要的核心部件之一。光伏逆变器主要由功率模块、DC-DC 转化电路、DC-AC 逆变电路、控制电路、保护电路、输入电路、输出电路、辅助电路以及外部的机构件构成。
薄膜电容器作为光伏逆变器中的 DC-Link 电容,其主要作用是吸收逆变器 DC-Link端的高脉冲电流,使逆变器端的电压波动处在可接受范围内,防止逆变器受到瞬时过载电压的影响。光伏发电作为降低碳排放的重要手段,在国家宏观政策的引导下持续高速发展。2020 年 9 月,第七十五届联合国大会上提出,我国二氧化碳排放力争于 2030 年前达到峰值,努力争取 2060 年前实现碳中和。
2021 年 10 月,国务院发布《2030 年前碳达峰行动方案》;2022 年 1 月,工信部等五部门联合发布《智能光伏产业创新发展行动计划(2021-2025 年)》,明确提出光伏产业发展目标,到 2025 年,光伏行业智能化水平显著提升,产业技术创新取得突破。新型高效太阳能电池量产化转换效率显著提升,形成完善的硅料、硅片、装备、材料、器件等配套能力。智能光伏产业生态体系建设基本完成,与新一代信息技术融合合水平逐步深化。智能制造、绿色制造取得明显进展,智能光伏产品供应能力增强。
根据国家能源局数据,2023 年,我国新增光伏发电并网装机容量 21,630 万千瓦,相比 2022 年同比增长 147.45%,截至 2023 年底,光伏发电并网装机容量达到6.09 亿千瓦。在政策支持下,我国光伏行业取得了迅猛发展。
光伏逆变器由于电压较高,一般以使用薄膜电容器为主,目前主流光伏逆变器薄膜电容器用量为 800 万元/GW,并且未来随着集中逆变器电压升高,使得薄膜电容器用量增加,预计薄膜电容器用量也将逐步提升。根据我国光伏新增装机容量可以计算得出,2023 年度,我国光伏发电领域薄膜电容器产值规模约为 17.30亿元。
③风力发电
风力发电是指把风的动能转为电能。风能是一种清洁无公害的可再生能源,很早就被人们利用,如通过风车来抽水、磨面等。风力发电是可再生能源领域中最成熟、最具规模开发条件和商业化发展前景的发电方式之一,且可利用的风能在全球范围内分布广泛、储量巨大。同时,随着风电相关技术不断成熟、设备不断升级,风力发电行业高速发展。
与光伏逆变器类似,风电变流器中的薄膜电容器主要用于DC-Link、输入/输出滤波以及 EMI 滤波,使变流器端的电压维持在稳定范围内。根据 GWEC 发布的《Global Wind Report 2024》,截至 2023 年末,全球风电累计装机容量达 1,020.7GW,2023 年全球风电新增装机容量为 116.6GW。2001 年至 2023 年,全球风电新增装机容量年复合增长率高达 14.02%,累计装机容量年均复合增长率高达 18.59%。2023 年,中国新增风电装机容量 75.90GW,新增装机容量占全球 65%;累计装机容量占全球 43%。
风电变流器与光伏逆变器具有类似的结构,目前风电变流器中薄膜电容器用量约为 800 万元/GW。根据中国风电新增装机容量可以计算得出,2023 年中国风力发电领域薄膜电容器产值为 6.07 亿元。
(2)柔性直流输电系统
柔性直流输电主要是基于电压源换流器的高压直流输电,是以 IGBT 等全控器件为核心功率器件的第三代直流输电技术。该输电技术具有可向无源网络供电、不会出现换相失败、换流站间无需通信以及易于构成多端直流系统等优点。
目前柔性直流输电技术已在风电送出、电网互联、无源网络供电和远距离大容量输电等场景取得了充分发展和工程应用,其输电能力已经达到特高压等级。相比常规直流输电,柔性直流输电在无功补偿能力、无需支撑电源、无换相失败、灵活的功率控制等方面具有很强的优势,因此柔直输电技术已成为新型电力系统未来重要的输电方式。
此外,柔性直流输电技术的可控性、灵活性更强,不需要交流系统支撑换相,甚至可不依赖交流电网,以孤岛方式实现 100%新能源汇集,并可为交流电网提供动态支撑,其规模化应用将随着经济性的进一步改善大大加快,助力新能源接入电网比例大幅提升。
在柔性直流输电技术中,柔直换流阀是其中的关键设备,直流支撑电容器作为换流阀关键器件之一,是 IGBT 的必要配套器件,通过为直流电压提供支撑、吸收纹波电流,实现稳定电压和电流的作用,从而为 IGBT 的稳定工作提供安全保障。海外柔直工程始于 1997 年,国内起步较晚,相关工程始于 2010 年,但在电压和容量上国内后来居上。
截至 2023 年 10 月,我国已累计投运 11 条柔直输电工程,电压等级最高达到了±800kV,在新能源外送、电网互联互济、孤岛送电等场景实现应用。根据 YH Research 数据显示,2023 年全球柔性直流输电用直流支撑电容器市场销售额达到了 1.60 亿美元,预计 2029 年将达到 2.82 亿美元,年复合增长率(CAGR)为 9.91%(2023-2029)。
(3)家用电器领域
在家电领域,薄膜电容器主要应用在家用空调、冰箱和洗衣机等大型家电,大型家电需要通过驱动大型电机来工作,而薄膜电容器在这之中起到驱动电机起动以及保护电机运行的作用。在电机、控制电路和变频电路中薄膜电容器扮演不一样角色,按照功能不同主要可以分为三大类:
①EMI 抑制电容:除用在电源端外,还被用于变频电路输入和输出端,两者都起着抑制电磁干扰的作用,防止组件的损坏;
②直流链路电容:充当低通滤波器,抑制快速瞬变电流,对输出电压进行平滑滤波,使直流母线电压保持在允许范围内;
③交流电机电容:被用于感应电机驱动控制电路,在感应电机起动时需要一个电容器通过相移将电机切换到所需要的方向。
根据中国家用电器研究院公布的《中国家电行业年度报告》,2023 年,我国家电市场零售额规模为 7,736 亿元,2022 年我国家电市场零售额规模为 7,307 亿元,较 2022 年增长 5.87%。2024 年起,商务部推出家电以旧换新国家补贴政策,并通过公平支持各类主体、优化资金审核流程、便利居民交旧换新、加大资金监管力度、营造良好舆论氛围,确保家电以旧换新政策落地见效,推进家电市场逐步回暖,为薄膜电容器相关 BOPP 薄膜制造行业提供稳定助力。
(4)新增潜在应用领域-复合集流体
集流体是锂离子电池中不可或缺的组成部件之一,它不仅能承载活性物质,而且还可以将电极活性物质产生的电流汇集并输出,有利于降低锂离子电池的内阻,提高库伦效率、循环稳定性和倍率性能。正极电位较高,为防止集流体在充放电过程中被氧化,使用铝箔作正极集流体;负极电位较低,为防止腐蚀,铜箔用作负极集流体。
复合集流体是以 PET/PP 等高分子材料作为中间层基膜,通过镀膜等工艺,在基膜上下两面堆积出双层铜/铝导电层所形成的复合材料,通过不同材料之间的复合能最大程度地集合不同材料之间的优势。结构方面,复合集流体表现为“金属-PET/PP 高分子材料-金属”的“三明治”结构。
复合集流体中间的聚合物基材具有绝缘作用和阻燃性能,其金属导电层较薄,短路时会像保险丝一样熔断,在热失控前迅速熔化,电池损坏只限于穿刺部位形成“点破”,有效形成“断路效应”,防止持续大电流形成电池过热问题,有效解决安全性问题。复合集流体中间层采用轻量化高分子材料,根据有关研究,相同厚度(9um)的复合铜箔的重量比纯金属集流体降低近 80%,随着重量占比降低、电池内活性物质占比增加,能量密度能有效提升。
复合集流体基膜有三大难点:1)控制材料形变程度:高分子薄膜厚度极小,材料张力控制难,收卷时容易形变;2)控制材料热收缩:真空蒸馏使基材受到热影响,需要精密控制热收缩率;3)表面处理对于后续加工较为关键。目前行业主流材料有 PET 和 PP 两种,PET 和 PP 的分子结构不同,导致其耐酸性和附着力表现差异较大。
PET 附着力较好,但不耐强酸;PP 耐强酸,但附着力较差。如果采用 PET 复合铜箔,电池厂需要调整电解液配方,或存潜在风险。如果采用 PP 复合铜箔,需要改善 PP 与铜之间的附着力,仍需观察送样测试反馈。随着后续 PP 生产工艺的成熟,PP 有望占据复合铜箔基膜的主导地位。
6、行业发展趋势
经过二十多年的发展,薄膜电容器相关 BOPP 薄膜材料制造行业的技术水平有了较大的提高,通过持续的技术创新,不断优化生产工艺和产品性能,行业发展趋势如下:
(1)超薄化
随着新能源等应用场景对薄膜电容器容量大、体积小的要求不断趋严,薄膜电容器生产厂商也更倾向于厚度规格更薄的 BOPP 薄膜。
在制造储存电能相同的薄膜电容器时,采用越薄的 BOPP 薄膜耗用的聚丙烯树脂较少,其制造成本优势明显,且体积较小,更有利于薄膜电容器在下游应用场景的使用。随着技术的不断进步,薄膜电容器大容量、微型化的发展趋势促使电容器用 BOPP 薄膜整体向超薄化的方向不断发展。尽管目前业内具备生产 3μm 以下 BOPP 薄膜能力的厂商较少,但随着行业内新一轮扩产计划的不断落地,超薄化的发展趋势将日渐明显。
(2)耐高温工作
温度上限决定了薄膜电容器对工作环境的要求,并极大的影响薄膜电容器的工作稳定性,薄膜电容器的额定上限工作温度越高,则其热负荷能力越高、对工作环境要求越低、越能长期稳定工作。因此,薄膜电容器耐温能力越高,其应用价值越高。
以新能源汽车、光伏逆变器、风力变流器等为代表的电子设备具有大功率化和小型化的发展趋势,大功率化大幅增加电子元件的工作负载,使得各元件发热量大增,小型化则使得电路中的散热空间大大压缩,从而加剧了电路工作环境的温升,对薄膜电容器提出了耐更高温度的要求。薄膜电容器耐温性能不断提高,将成为未来的一大发展趋势。