So sánh siêu tụ điện và pin năm 2024

Xe điện đang là xu hướng của tương lai để thay thế sự ô nhiễm môi trường của xe sử dụng động cơ đốt trong. Tuy nhiên, vấn đề lớn nhất của xe điện đó là khả năng lưu trữ và thời gian sạc. Khi hầu hết các mẫu xe điện hiện nay đều sử dụng pin lithium- ion và có thời gian sạc lâu hơn nhiều so với cách đổ nhiên liệu truyền thống. Điều này là một rào cản lớn để người dùng thay đổi thói quen từ sử dụng xe xăng qua sử dụng xe điện.

Mới đây, nhiều hãng công nghệ chuyên nghiên cứu về pin và các giải pháp lưu trữ năng lượng đã bắt đầu nghiên cứu một công nghệ mới có tên là Siêu tụ điện (Supercapacitor), với nhiều ưu thế và đây có thể là một giải pháp kết hợp hoặc thay thế pin lithium-ion trong tương lai.

I. Siêu tụ điện là gì?​

Siêu tụ điện là loại tụ điện có dung lượng lớn. Chúng có điện dung cao hơn và giới hạn điện áp thấp hơn so với các loại tụ điện khác. Về mặt chức năng, chúng nằm ở đâu đó giữa các tụ điện điện phân và pin lithium-ion.

So sánh nhanh thì chúng:

1. Sạc nhanh hơn nhiều so với pin lithium.
2. Có thể lưu trữ nhiều năng lượng hơn so với tụ điện.
3. Có tuổi thọ (được đo bằng chu kỳ sạc/xả) ở đâu đó giữa hai loại (nhiều hơn pin có thể sạc lại và ít hơn tụ điện).

Để so sánh tuổi thọ, thì pin lithium-ion trung bình từ 500 đến 10.000 chu kỳ. Còn siêu tụ điện có tuổi thọ dao động từ 100.000 đến một triệu chu kỳ.

II. Ưu điểm và nhược điểm của siêu tụ điện:​

Các lợi ích của siêu tụ điện bao gồm:

1. Cân bằng lưu trữ năng lượng với thời gian sạc và xả: Mặc dù siêu tụ điện không thể lưu trữ nhiều năng lượng như pin lithium-ion có cùng kích thước, nhưng siêu tụ điện có thể bù đắp điều đó bằng tốc độ sạc. Trong một số trường hợp, chúng sạc nhanh hơn gần 1.000 lần so với thời gian sạc của pin có dung lượng tương tự. Với tốc độ sạc này, gần như có thể sạc ngay lập tức cho một chiếc xe điện. Trong thực tế, công ty Nawa Technologies đang tìm cách thực hiện ý tưởng đó trên ô tô điện thực sự. Hãy tưởng tượng những chiếc ô tô điện chạy bằng siêu tụ điện (thay vì pin sạc) có thể sạc đầy trong thời gian ngắn hơn thời gian cần thiết để đổ đầy xăng vào động cơ nhiên liệu hóa thạch, thay vì số giờ sạc mà ô tô chạy bằng pin bình thường.
2. Nhiệt độ hoạt động trên phạm vi rộng: Siêu tụ điện có nhiệt độ hoạt động hiệu quả rộng hơn nhiều (từ khoảng -40F đến + 150F).

Ngoài những ưu điểm đó, thì siêu tụ điện cũng còn nhiều vấn đề cần được giải quyết trước khi có thể áp dụng lên ô tô điện như:

1. Tỷ lệ tự phóng điện: Siêu tụ điện không thích hợp để lưu trữ năng lượng lâu dài. Tốc độ phóng điện của siêu tụ điện cao hơn đáng kể so với pin lithium-ion; Chúng có thể tự xả tự do từ 10 - 20% năng lượng mỗi ngày.
2. Mất điện áp dần dần: Trong khi pin cho điện áp đầu ra gần như không đổi cho đến khi sử dụng hết, thì điện áp đầu ra của tụ điện giảm tuyến tính với điện tích của chúng.

II. Siêu tụ điện có thể được ứng dụng ở đâu?​

Các siêu tụ điện cực kỳ phù hợp với bất kỳ ứng dụng nào đòi hỏi chu kỳ sạc và xả thường xuyên, nhiệt độ hoạt động khắc nghiệt hoặc xả nhanh lượng năng lượng cao. Dưới đây có thể là một số ứng dụng trong tương lai của siêu tụ điện:

Siêu tụ (tiếng Anh là supercapacitor) là tụ điện dung lượng cao. Nó có giá trị điện dung cao hơn nhiều so với các loại tụ điện khác (nhưng giới hạn điện áp thấp hơn), giúp thu hẹp khoảng cách giữa tụ điện và pin sạc. Siêu tụ thường lưu trữ năng lượng nhiều hơn gấp 10 đến 100 lần trên một đơn vị thể tích hoặc khối lượng so với các tụ điện khác. Nó có thể nạp và sạc nhanh hơn pin đồng thời tuổi thọ cũng cao hơn nhờ khả năng chịu được số lần nạp, xả gấp nhiều lần pin sạc.

Siêu tụ điện được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi nhiều chu kỳ sạc / xả nhanh trong xe hơi, xe buýt, xe lửa, cần cẩu và thang máy. Các đơn vị nhỏ hơn được sử dụng làm bộ nhớ dự phòng cho bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên tĩnh (SRAM).

Cấu tạo của siêu tụ

Cấu tạo siêu tụ tương tự như cấu tạo của tụ điện với 2 điện cực và một lớp ngăn cách nằm giữa 2 điện cực. Tất cả nằm trong một lớp bọc được ngâm tẩm chất điện phân và được bọc kín. Chất điện phân sử dụng trong siêu tụ sẽ khác với các tụ điện thông thường.

Để lưu trữ điện, người ta sử dụng màng ngăn có lỗ xốp trong siêu tụ. Màng ngăn này giúp giữ lại các ion ở mức độ nguyên tử. Vật liệu phổ biến làm màng ngăn cho các siêu tụ hiện nay là than hoạt tính. Nhưng có một số bất cập như cacbon không phải là một chất cách điện tốt nên điện áp hoạt động ở mức dưới 3V. Hoặc giảm dung lượng lưu trữ khi các hạt mang điện không vừa với kích thước lỗ của than hoạt tính.

Siêu tụ điện được sử dụng để làm gì?

Nếu bạn cần lưu trữ một lượng năng lượng trong một khoảng thời gian tương đối ngắn (từ vài giây đến vài phút) thì tụ điện không lưu trữ đủ năng lượng bạn cần còn với pin thì lại không đủ thời gian sạc, đó là lúc bạn cần đến siêu tụ. Siêu tụ được sử dụng như một "bộ chứa năng lượng" để cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện và điện tử. Siêu tụ cũng có thể được kết nối với pin để điều chỉnh sức mạnh mà nó cung cấp.

Một ứng dụng phổ biến là trong các tuabin gió, các siêu tụ điện rất lớn giúp xử lý nguồn điện được cấp liên tục từ gió. Trong xe điện và xe hybrid, siêu tụ được sử dụng như các kho năng lượng tạm thời để lưu trữ năng lượng từ phanh. Nguồn năng lượng này thường bị lãng phí khi xe dừng lại lúc này được lưu trữ nhanh và sau đó được tái sử dụng khi xe di chuyển trở lại.