瞻觀前沿

科學(xué)家們開發(fā)了一種新方法，可以使用二維材料控制鐵電電容器的弛豫時間，從而顯著增強(qiáng)其能量存儲能力。這項(xiàng)創(chuàng)新帶來了一種提高能量密度和效率的結(jié)構(gòu)，有望在高功率電子和可持續(xù)技術(shù)方面取得進(jìn)步。

圣路易斯華盛頓大學(xué)麥凱維工程學(xué)院機(jī)械工程和材料科學(xué)助理教授 Sang-Hoon Bae 解決了在儲能應(yīng)用中部署鐵電材料這一長期存在的挑戰(zhàn)。在今天(4月18日) 《科學(xué)》雜志上發(fā)表的一項(xiàng)研究中，Bae和他的合作者，包括華盛頓大學(xué)機(jī)械工程與材料科學(xué)副教授 Rohan Mishra 和電氣與系統(tǒng)工程副教授 Chuan Wang，以及 Frances麻省理工學(xué)院材料科學(xué)與工程 TDK 教授 Ross介紹了一種使用2D材料控制鐵電電容器弛豫時間的方法，弛豫時間是一種內(nèi)部材料特性，描述電荷耗散或衰減所需的時間。

博士生 Justin S. Kim 和博士后研究員 Sangmoon Han 與 Bae 合作開發(fā)了新型 2D/3D/2D 異質(zhì)結(jié)構(gòu)，可以最大限度地減少能量損失，同時保留鐵電3D材料的有利材料特性。他們的方法巧妙地將2D和3D材料夾在原子薄層中，每層之間都有精心設(shè)計(jì)的化學(xué)和非化學(xué)鍵。將非常薄的 3D 核心插入兩個外部 2D 層之間，形成厚度僅為約 30 納米的堆棧。這大約是平均病毒顆粒大小的十分之一。

2D/3D/2D異質(zhì)結(jié)構(gòu)經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，位于導(dǎo)電性和非導(dǎo)電性之間的最佳位置，其中半導(dǎo)體材料具有最佳的能量存儲電性能。通過這種設(shè)計(jì)，Bae和他的合作者報告稱，其能量密度比市售鐵電電容器高出19倍，并且效率超過90%，這也是前所未有的。

圖片來源：SciTechDaily.com

技術(shù)價值觀察

電容器產(chǎn)業(yè)鏈上游為電極材料和電解質(zhì)材料行業(yè)，下游行業(yè)主要應(yīng)用于軍用和民用領(lǐng)域，軍用領(lǐng)域包括航空、航天、艦船、兵器、電子對抗等，民用領(lǐng)域包括消費(fèi)電子、工業(yè)控制、電力設(shè)備及新能源、通訊設(shè)備、軌道交通、醫(yī)療電子設(shè)備及汽車電子等。

研究人員利用新型2D/3D/2D異質(zhì)結(jié)構(gòu)生產(chǎn)出了一種鐵電電容器，其能量密度是當(dāng)前模型的19倍，效率超過90%。因此，從電容器產(chǎn)業(yè)鏈上看，該技術(shù)處于產(chǎn)業(yè)鏈的上游環(huán)節(jié)。

宏觀市場觀察

——主要類型電容器對比

薄膜電容器是一種重要的電子元件。根據(jù)電介質(zhì)的不同，電容器主要分為鋁電解電容器、鉭電解電容器、陶瓷電容器和薄膜電容器四大類。其中，薄膜電容器是以有機(jī)塑料薄膜做介質(zhì)，以金屬箔或金屬化薄膜做電極，通過卷繞方式制成的電容器;相比其他介質(zhì)電容器，它具有耐壓高、壽命長等特性，是一種重要的電子元件。

從全球市場看，電容器的幾大種類中，陶瓷電容器的需求最大，占比電容器市場比重約54%;其次是鋁電解電容器，占比約23%;薄膜電容器占比約15%。薄膜電容器市場占比雖不及陶瓷電容器和鋁電解電容器，但是其作為電子元器件的特性在新能源汽車、光伏等的應(yīng)用較有優(yōu)勢。

——行業(yè)發(fā)展歷程：行業(yè)得到快速發(fā)展

我國電容器行業(yè)自從上世紀(jì)80年代發(fā)展以來，中國已經(jīng)成為全球最大的電容器市場，占全球市場比重超過七成。中國電容器行業(yè)規(guī)模增速持續(xù)高于全球規(guī)模增速，中國市場的快速增長成為拉動全球電容器行業(yè)規(guī)模增長的主要動力。

——全球電容器需求量、市場規(guī)模預(yù)測

鋁電解電容器作為最基本的電子元件之一，被廣泛用于電子信息行業(yè)以及家電等各類電子產(chǎn)品之中，具有體積小、電容量大及成本低的特性，尤其是單位電容量價格在所有電容器中最為便宜，符合信息產(chǎn)品低價化發(fā)展趨勢，廣泛應(yīng)用于通訊、家電、汽車、電子、航空、新材料等行業(yè)，市場需求量極大。從需求量來看，2022年全球鋁電解電容器及整體電容器需求量分別達(dá)到16523.9億只和60423.6億只，預(yù)計(jì)到2026年全球鋁電解電容器及整體電容器需求量將達(dá)到20141.7億只和72685.9億只。

從市場規(guī)模來看，受新能源汽車、工業(yè)控制、5G商用、新型充電技術(shù)、汽車電子化等新興產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的推動，產(chǎn)品持續(xù)推陳出新，催生了對鋁電解電容器及其主要材料新的需求，但作為鋁電解電容器主要應(yīng)用領(lǐng)域之一的消費(fèi)電子出貨量下降，導(dǎo)致電子領(lǐng)域?qū)︿X電解電容器需求減弱。2022年全球鋁電解電容器及整體電容器市場規(guī)模分別達(dá)到103億美元及261億美元。預(yù)計(jì)2026年全球鋁電解電容器及整體電容器市場規(guī)模將達(dá)到131億美元及326億美元。

——中國電容器需求量、市場規(guī)模預(yù)測

鋁電解電容器作為最基本的電子元件之一，被廣泛用于電子信息行業(yè)以及家電等各類電子產(chǎn)品之中，具有體積小、電容量大及成本低的特性，尤其是單位電容量價格在所有電容器中最為便宜，符合信息產(chǎn)品低價化發(fā)展趨勢，廣泛應(yīng)用于通訊、家電、汽車、電子、航空、新材料等行業(yè)，市場需求量極大。從需求量來看，2022年中國鋁電解電容器及整體電容器需求量分別達(dá)到9558.5億只和46602.2億只，預(yù)計(jì)到2026年中國鋁電解電容器及整體電容器需求量將達(dá)到11564.2億只和54507.5億只。

從市場規(guī)模來看，隨著碳達(dá)峰、碳中和戰(zhàn)略的規(guī)劃部署，能源結(jié)構(gòu)加速演變，我國大力推進(jìn)新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，新能源汽車、光伏、風(fēng)電等行業(yè)市場規(guī)模持續(xù)擴(kuò)張，疊加上游原材料價格的增長，帶動了中國鋁電解電容器市場規(guī)模的增長，鋁電解電容器市場占整體電容器市場占比有所提升。2022年中國鋁電解電容器及整體電容器市場規(guī)模分別達(dá)到388億元及1294億元。預(yù)計(jì)2026年中國鋁電解電容器及整體電容器市場規(guī)模將達(dá)到508億元及1639億元。

中國電容器技術(shù)賽道熱力圖

根據(jù)產(chǎn)業(yè)熱力圖顯示，與電容器關(guān)鍵技術(shù)強(qiáng)關(guān)聯(lián)的城市集群主要集中在華南和華東地區(qū)，并且以廣東、浙江省為重點(diǎn)發(fā)展區(qū)域，未來布局電容器技術(shù)及其他相關(guān)技術(shù)的發(fā)展路徑，極大可能性在于華南、華東地區(qū)優(yōu)先導(dǎo)入，其中可重點(diǎn)關(guān)注廣東省廣州市天河區(qū)、浙江省溫州市樂清市、廣東省深圳市福田區(qū)所處電容器的相關(guān)企業(yè)，以及該地方對于電容器的產(chǎn)業(yè)發(fā)展投資環(huán)境、供給市場的潛力空間。

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