Siêu tụ điện là gì? Ưu nhược điểm và ứng dụng của siêu tụ điện

Một siêu tụ điện là một thiết bị có thể lưu trữ năng lượng điện nhanh chóng và xả chậm. Chúng ta biết rằng các tụ điện bình thường như Tụ điện, Tụ gốm v.v … có thể lưu trữ năng lượng điện rất nhanh và phóng điện cũng rất nhanh nhưng siêu tụ điện thì không giống vậy.

Siêu tụ điện là gì?

Một siêu tụ điện còn được gọi là tụ điện dung lượng cao hoặc tụ điện hai lớp có thể lưu trữ một lượng lớn năng lượng gấp gần 10 đến 100 lần năng lượng so với các tụ điện thông thường. Nó được ưa chuộng rộng rãi hơn pin vì khả năng sạc nhanh hơn và cung cấp năng lượng nhanh hơn.

Nó có nhiều chu kỳ sạc và xả hơn pin sạc. Chúng được phát triển trong thời hiện đại vì lợi ích công nghiệp và kinh tế.
Điện dung của tụ điện này cũng được đo bằng Fara (F). Ưu điểm chính của tụ điện này là hiệu quả và khả năng lưu trữ năng lượng cao.

Siêu tụ điện tiếng Anh là gì?

Trong tiếng Việt chúng ta, có lẽ khi nói đến siêu tụ điện thì rất nhiều người còn thấy lạ lẫm. Không biết chúng là gì? Có phải là mấy cái tụ điện thông thường trong mạch điện tử hay không?

Nhưng trong các tài liệu nước ngoài, siêu tụ điện là một thuật ngữ, một tên gọi rất phổ biến. Và chúng được gọi là Supercapacitor. Lý do vì sao mình muốn chia sẻ với các bạn biết trong tiếng Anh siêu tụ điện được gọi là gì. Mục đích để chúng ta có thêm từ ngữ để tìm kiếm tài liệu để nghiên cứu tìm hiểu về loại linh kiện hay thiết bị lưu trữ tích điện này.

Nguyên lý siêu tụ điện

Tương tự như một tụ điện bình thường, siêu tụ điện cũng có hai bản song song với diện tích lớn hơn. Nhưng sự khác biệt là, khoảng cách giữa các tấm là nhỏ. Các tấm được tạo thành từ kim loại và ngâm trong chất điện phân. Các tấm được ngăn cách bởi một lớp mỏng gọi là chất cách điện.

Khi các điện tích trái dấu được hình thành ở cả hai phía của chất cách điện, một lớp điện kép được hình thành và các tấm được tích điện. Do đó chúng được tích điện và có điện dung cao hơn. Những tụ điện này được sử dụng để cung cấp năng lượng cao và cho phép dòng tải cao với điện trở thấp. Chi phí của siêu tụ điện cao vì điện dung sạc và xả cao.

Nguyên lý siêu tụ điện
Nguyên lý siêu tụ điện

Một lớp điện kép được tạo ra khi các tấm được thay đổi và các điện tích trái dấu được hình thành ở cả hai mặt của các tấm. Do đó các siêu tụ điện còn được gọi là tụ điện hai lớp hoặc tụ điện hai lớp điện (EDLC). Khi diện tích của các bản tăng và khoảng cách giữa các bản giảm thì điện dung của tụ tăng.

Khi chúng không được sạc, tất cả các điện tích được phân phối ngẫu nhiên trong tế bào. Khi chúng được tích điện, tất cả các điện tích dương được hút vào cực âm và các điện tích âm được hút vào cực dương. Thông thường, các siêu tụ điện có sẵn với điện dung 420F, dòng sạc và xả 4-2A với nhiệt độ phòng -22 độ C.

Làm thế nào để sạc một siêu tụ điện?

Các siêu tụ điện có khả năng tự xả và chu kỳ sạc không giới hạn. Những loại tụ điện này có thể làm việc với điện áp thấp (2-3V) và có thể được kết nối nối tiếp để tạo ra điện áp cao, được sử dụng trong các thiết bị cần nguồn lớn. Nó có thể lưu trữ nhiều năng lượng hơn và giải phóng tức thời và nhanh hơn khi so sánh với pin.

Khi tụ điện này được kết nối với mạch hoặc nguồn điện áp DC, các bản là điện tích và điện tích trái dấu được hình thành ở cả hai phía của dải phân cách, tạo thành một tụ điện điện phân hai lớp.

Sạc siêu tụ điện
Sạc siêu tụ điện

Để sạc một siêu tụ điện, kết nối cực dương của nguồn điện áp với cực dương của siêu tụ điện và cực âm của nguồn điện áp được nối với cực âm của chúng.

Nếu siêu tụ điện được kết nối với nguồn điện áp 15V, thì nó sẽ sạc tới 15V. Khi điện áp được tăng lên quá điện áp ngưỡng, thì chúng có thể bị hỏng. Vì vậy, điện trở được kết nối nối tiếp với nguồn điện áp và tụ điện để giảm dòng điện chạy qua tụ điện và nó không bị hỏng.

Nguồn cung cấp dòng không đổi và nguồn cung cấp điện áp giới hạn phù hợp với siêu tụ điện. Khi điện áp tăng dần, lượng dòng điện chạy qua tụ thay đổi. Trong chế độ sạc đầy, dòng giảm theo mặc định.

So sánh siêu tụ điện với pin

Pin được sử dụng rộng rãi với dung lượng cụ thể, cũng có mật độ năng lượng tốt hơn. Các siêu tụ điện là các tụ điện dung lượng cao với mật độ năng lượng cao. Khi so sánh với pin, siêu tụ điện có khả năng sạc nhanh, có thể xử lý nhiệt độ thấp, độ tin cậy cao và trở kháng thấp.

Siêu tụ điện và pin
Siêu tụ điện và pin

Chi phí của pin thấp trong khi chi phí của siêu tụ điện cao. Các siêu tụ điện có khả năng tự xả. Trong pin, điện áp hoạt động xác định chế độ sạc và xả. Trong một siêu tụ điện, điện áp cho phép phụ thuộc vào loại vật liệu điện môi được sử dụng giữa các bản. Và cũng là chất điện phân trong tụ điện có thể làm tăng điện dung.

Pin có các dạng như pin axit-chì, Ni-MH, Li-Po, Li-ion, LMP, … Các siêu tụ điện có sẵn với chất điện phân hữu cơ, chất điện phân nước, chất lỏng ion,… Pin được sử dụng để lưu trữ một lượng lớn năng lượng và siêu tụ điện được sử dụng để cung cấp mật độ năng lượng cao.

Sự khác biệt giữa siêu tụ điện và tụ điện bình thường là gì?

Có một vài điểm khác biệt giữa siêu tụ điện và tụ điện thông thường như:

– Tụ điện bình thường có vật liệu điện môi nhưng siêu tụ điện không có vật liệu điện môi.

– Các siêu tụ điện có dung dịch điện phân nhưng tụ điện bình thường không có dung dịch điện phân.

– Trong một tụ điện bình thường, các vật liệu điện môi dùng để cách điện giữa các bản hoặc điện cực. Nhưng trong siêu tụ điện, một bộ phân tách được sử dụng để cách điện giữa các điện cực.

– Tốc độ sạc và xả của tụ điện bình thường rất nhanh. Nhưng trong trường hợp siêu tụ điện, tốc độ sạc rất nhanh nhưng tốc độ xả chậm.

– Công suất điện áp của siêu tụ điện rất thấp thường là 2,7V nhưng các tụ điện bình thường như tụ điện phân có sẵn có định mức điện áp rất cao.

– Điện dung của siêu tụ điện rất cao thường trên 500F.

Ưu điểm của siêu tụ điện

Các siêu tụ điện có nhiều lợi thế như:

– Hiệu quả rất cao.

– Khả năng sạc nhanh.

– Siêu tụ điện có tuổi thọ cao hơn pin 10 đến 15 năm.

– Siêu tụ điện có thể chịu được mọi nhiệt độ trong khoảng từ -30 đến 65 độ trong khi pin có thể chịu được từ 10 đến 40 độ C.

– Các siêu tụ có trọng lượng rất nhẹ.

– Các siêu tụ điện có thể được cài đặt trong một khu vực hẹp vì nó có kích thước rất nhỏ.

– Các siêu tụ điện có phản ứng thoáng qua rất nhanh.

Nhược điểm của siêu tụ điện

Các siêu tụ điện cũng có một số nhược điểm, chẳng hạn như:

– Các siêu tụ điện có năng lượng riêng rất thấp.

– Rất khó để tạo ra siêu tụ điện có công suất điện áp cao ở thời điểm hiện tại, đó là lý do tại sao hầu hết các siêu tụ điện 2.7V đều có sẵn trên thị trường.

– Thuộc tính điện áp phóng tuyến tính của chúng là một bất lợi. Đặc tính điện áp phóng tuyến tính có nghĩa là khi siêu tụ phóng 50% tổng năng lượng dự trữ, điện áp cũng giảm một nửa. Có nghĩa là nếu điện áp đầy của chúng là 2,7V thì điện áp sẽ giảm xuống còn 1,3V. Nhưng trong trường hợp pin, điện áp sẽ gần với điện áp đầy thậm chí khi pin xả 50% năng lượng.

– Giá của siêu tụ điện cao hơn pin Li-ion cùng dung lượng.

– Siêu tụ điện xả nhanh hơn pin khi không được kết nối với tải hoặc nói cách khác, đặc tính tự xả của siêu tụ là một bất lợi nữa.

Ứng dụng của siêu tụ điện

Một số ứng dụng đáng chú ý của siêu tụ điện mà chúng ta có thể thấy như:

– Các siêu tụ chủ yếu được sử dụng ở những nơi cần sạc và xả rất nhanh.

– Chúng được sử dụng trong máy ảnh kỹ thuật số để nhấp nháy ánh sáng.

– Chúng được sử dụng trong xe điện và cơ cấu hãm tái sinh được sử dụng để sạc siêu tụ điện. Phanh tái tạo giúp sạc trong thời gian rất ngắn. Để khởi động điện trong hệ thống start-stop

– Chúng cũng được sử dụng trong máy khử rung tim trong ngành y tế, để gây sốc tim cho người bệnh.

– Chúng được sử dụng để cung cấp năng lượng dự phòng cho các thiết bị năng lượng thấp như các card PC, các đồng hồ đo tự động.

– Ngày nay các siêu tụ điện được sử dụng trong nhiều công cụ điện và điện tử cầm tay.

Một số câu hỏi thường gặp về siêu tụ điện

Sau đây là một vài câu hỏi mà chúng ta thường tìm thấy trên các diễn đàn công nghệ khi thảo luận về siêu tụ điện. Các bạn cùng tham khảo nhé!

Siêu tụ điện có thể thay thế pin?

Để cung cấp mật độ năng lượng cao, và cho các mục đích sạc đơn giản và nhanh nhất, các siêu tụ điện có thể thay thế pin.

Một siêu tụ điện có thể lưu trữ bao nhiêu năng lượng?

Các siêu tụ điện lưu trữ 22,7J lượng năng lượng tối đa cho nguồn cung cấp 5,5V. Nó lưu trữ năng lượng gấp 10 – 100 lần trên mỗi đơn vị khối lượng hoặc thể tích khi so sánh với các tụ điện điện phân

Sự khác biệt giữa pin và siêu tụ điện là gì?

Pin được sử dụng để lưu trữ năng lượng cao và siêu tụ điện có mật độ năng lượng cao.

Ứng dụng của siêu tụ điện
Ứng dụng của siêu tụ điện

Các siêu tụ điện được sử dụng để lưu trữ và giải phóng năng lượng nhanh chóng trong khi pin lưu trữ năng lượng trong thời gian dài hơn.

Một siêu tụ điện có thể giữ điện tích trong bao lâu?

Thời gian sạc của siêu tụ điện là 1-10 giây khi so với 10-60 phút để đạt được pin sạc đầy. Nó cung cấp 10.000W/kg với chu kỳ xả sạc không giới hạn.

Tại sao không sử dụng tụ điện thay vì pin?

Tụ điện lưu trữ năng lượng điện và có hàng ngàn chu kỳ sạc-xả. Pin khi xả có dòng điện không đổi và có công suất không đổi. Trong khi điện áp Tụ điện giảm tuyến tính ở dòng điện không đổi, thì công suất cũng giảm. Vì vậy, các tụ điện không thể thay thế cho pin.