Chúng ta đều quen biết khái niệm tụ điện nh− là một linh kiện điện, đặc tr−ng bởi giá trị điện dung C [F; àF; pF]. Cấu tạo cơ bản của tụ điện gồm 2 bản cực bằng kim loại
tích điện trái dấu đối xứng với nhau, ngăn cách bởi chất điện môi. Giá trị điện dung C phụ thuộc điện l−ợng tích trữ ∼ và điện thế định dạng U. Q U Q C=
Gần đây, tụ điện điện hóa - đôi khi còn gọi là siêu tụ điện (super capocitoro) hoặc
tụ lai (hybrid capacitors) đ−ợc quan tâm nghiên cứu nh− là một ph−ơng tiện tích trữ năng l−ợng với một dải mật độ năng l−ợng thấp từ 0,05 ữ 10kWh/kg nh−ng bù lại là lợi thế về công suất từ 10 - 106 W/kg, thời gian cần thiết để nạp điện cỡ 10-8 giây, số chu kỳ làm việc dễ dàng đạt 106 CK với độ ổn định cao.
Với những đặc tính kỹ thuật −u việt nh− vậy, tụ điện điện hóa đóng vai trò quan trọng trong mạch điện tử, máy tính, bảo vệ bộ nhớ, các nguồn nuôi truy cập ngẫu nhiên DRAM..., có doanh số 150 - 200 triệu USD hàng năm. Sắp tới, việc ghép tụ điện điện hóa với ăcquy (Ni/MH, ăcquy ion Li+) hoặc pin nhiên liệu cho các thế hệ xe máy và ôtô điện, đ−ợc xem nh− là một sự lựa chọn kinh tế.
Hình V.1. Cấu tạo nguyên lý của siêu tụ điện
Cấu tạo của tụ điện điện hóa gồm 2 bản cực đ−ợc chế tạo từ vật liệu hạt nano- cacbon, có bề mặt riêng cao, đ−ợc xúc tác hóa bởi RuO2 và bao bọc bởi màng điện ly (hình V.1). Điện dung đạt đ−ợc có thể lên tới ∼25F/g tính theo l−ợng vật liệu điện cực sử dụng hoặc từ 10 - 40 àF/cm2 tính theo tiết diện làm việc của điện cực. Điện thế định danh ∼ 1V nếu dung dịch điện ly là n−ớc (trong tr−ờng hợp sử dụng điện ly hữu cơ, điện thế định danh có thể đạt ∼ 2,7V, song nội trở của tụ điện lại lớn hơn 100 lần so với dung dịch n−ớc, do đó thời gian tích điện chậm đi t−ơng ứng).
Để cải thiện hành vi phóng điện, loại tụ điện điện hóa mới đ−ợc chế tạo theo cấu tạo bất đối xứng, nghĩa là chỉ một cực từ vật liệu cacbon, còn cực kia là một điện cực redox nh− NiOOH, hoặc vật liệu mới nh− Li4Ti5O12; polyme dẫn nh− polyaniline, polypyrrole, polidiaminoanthraquynone... Điện dung bề mặt có thể đạt đ−ợc có thể đến 200 àF/cm2.
Với chức năng là một nguồn điện phụ trợ, siêu tụ điện đ−ợc sử dụng trong các ứng dụng chủ yếu sau đây:
- Đối với các thiết bị điện tử hay dùng ở chế độ xung (nh− điện thoại di động...) nguồn điện hóa đ−ợc đấu song song với siêu tụ điện, có thể tăng hiệu suất sử dụng từ 3 đến 5 lần.
- Chế tạo các bộ nguồn dự phòng mất điện USP (Uninterruptable Power Supply) phục vụ cho hệ thống thiết bị không ngắt cho rất nhiều lĩnh vực (thông tin, y tế, ngân hàng, quân sự, hàng không v.v... thời gian mất điện đ−ợc phép chỉ vài giây ... đến vài phút là cùng).
- Các hệ thống khởi động, báo động, vận hành tự động ... ở các điều kiện ít chăm sóc.