Từ năm 1957 người ta đã tình cờ phát hiện siêu tụ điện khi các kỹ sư của General Electric sử dụng than hoạt tính để chế tạo điện cực, khi đó người ta chưa giải thích được cơ chế hoạt động của nó. Nhưng sau đó General Electric đã ngừng phát triển theo hướng này. Năm 1966 siêu tụ điện được phát hiện trở lại khi các kỹ sư hãng Standard Oil của Ohio nghiên cứu phát triển pin nhiên liệu. Người ta sử dụng hai lớp than hoạt tính được phân cách bằng chất cách
điện xốp, tuy nhiên họ cũng thất bại trong việc thương mại hóa siêu tụ điện. Từ năm 1990 do sự phát triển của công nghệ vật liệu tiên tiến cỡ nano (1 nano mét bằng một phần tỷ mét) các sản phẩm siêu tụ điện đã được thương mại hóa với thị trường lên đến 400 triệu USD năm 2005. Đặc biệt trong lĩnh vực nguồn điện cho ôtô điện dựa trên công nghệ CMOS kích cỡ 22 nm, siêu tụ điện đã có bước tiến rất đáng kể.
Siêu tụ điện (supercapacitor hay ultracapacitor), là một loại tụ hóa có mật độ điện dung cực cao.
Trước đây nó được gọi là tụ điện lớp kép (electric double-layer capacitor, EDLC). Nó có thể có điện dung đến 10.000 farad ở 1,2 volt, lấp vùng trống giữa tụ hóa và pin sạc. Thông thường nó trữ năng từ 10 đến 100 lần nhiều hơn mật độ trữ năng lượng của tụ hóa thường, và phóng nạp nhanh hơn pin sạc. Về kích thước thì nó lớn hơn pin sạc cùng mức trữ năng cỡ 10 lần.
Siêu tụ điện có điện môi không theo ý nghĩa truyền thống, mà sử dụng điện dung tĩnh điện lớp kép (electrostatic double-layer capacitance), hoặc giả điện dung điện hoá (electrochemical pseudocapacitance), hoặc lai cả hai.
Tụ tĩnh điện lớp kép EDLS (Electric double-layer capacitor) sử dụng anode là carbon hoặc dẫn xuất với điện dung tĩnh điện lớp kép cao hơn nhiều so với pseudocapacitance điện hóa, đạt được việc tách điện tích trong lớp kép Helmholtz tại giao diện giữa các bề mặt của điện cực dẫn và chất điện phân. Sự tách điện tích xảy ra ở cỡ một vài ångströms (0,3-0,8 nm), nhỏ hơn nhiều so với một tụ điện thông thường.
Giả tụ điện hóa (Pseudocapacitor) sử dụng oxit kim loại hoặc polyme dẫn điện có giả điện dung điện hóa cao. Pseudocapacitance đạt được bằng chuyển rời điện tử kiểu Faraday với các phản ứng oxy hóa khử đan xen.
Tụ lai (Hybrid), chẳng hạn như tụ điện Li-ion, sử dụng hai điện cực với các đặc tính trên, và đạt được mức điện dung cao nhất.
cung cấp năng lượng đỉnh đột xuất: trong xe ô tô điện, xe buýt, xe lửa nhanh, cần cẩu, thang máy,...
Nó cũng được dùng cho trữ lại điện trong hệ thống tái tạo năng lượng, trong điện năng Mặt trời, điện năng pin Mặt trời.
Theo tài liệu [3], cấu tạo của siêu tụ (hình 1.3) bao gồm: Các điện cực, lớp điện môi và màng cách ly nằm giữa các điện cực đó.
Hình 1.3: Cấu trúc siêu tụ - hai lớp
Các điện cực: ở các tụ điện truyền thống (tụ điện thường) thì các điện cực là các mặt phẳng. Với siêu tụ, các điện cực được làm bằng cacbon hoạt tính có cấu trúc hình lỗ như các tổ ong. Do vậy, khi xảy ra quá trình nạp điện cho tụ, các ion dương bị hút về cực âm còn các ion âm thì bị hút về cực dương. Chính vì bề mặt điện cực có hình lỗ nên sẽ làm tăng diện tích bề mặt điện cực lên gấp nhiều lần, do đó sẽ có nhiều ion dương, âm bị hút đến các bề mặt điện cực hơn.Vì thế mà điện tích tích trữ trên tụ điện sẽ lớn hơn rất nhiều so với tụ điện thường.
Lớp điện môi: Một yếu tố khác biệt nữa là lớp điện môi giữa các điện cực của siêu tụ là chất điện phân, trong khi lớp phân cách giữa hai bản tụ là chất cách điện thậm chí là không khí. Tính chất của chất điện phân này sẽ quyết định điện áp định mức của siêu tụ, điện áp định mức cần thấp hơn điện áp oxi hóa của chất điện phân. Thêm vào đó, chất điện phân này phải có khả năng hòa tan hay làm phân hủy các muối để cung cấp ion tự do trong tụ. Tính chất quan trọng của các ion có trong chất điện phân là tính lưu động cao, điều này sẽ
quyết định đến điện trở nối tiếp của siêu tụ, cũng như khả năng phóng nạp của siêu tụ là nhanh hay chậm, thường thì điện trở nối tiếp của siêu tụ rất là nhỏ.
Màng cách ly: Có tác dụng là cách ly hai điện cực, tuy nhiên nó phải có khả năng cho các ion đi qua.
Hình 1.4: Hình dáng bên ngoài của siêu tụ
Nguyên lý hoạt động của siêu tụ: Bên trong siêu tụ có hai hiện tượng vật lý quyết định đáp ứng của các ion là quan hệ khuếch tán và tĩnh điện. Khi siêu tụ vừa kết thúc quá trình xả thì các ion trong chất điện môi trở nên cân bằng do có sự khuếch tán. Nếu lúc này siêu tụ được nạp thì các ion bị hút bởi điện trường đặt giữa các điện cực, quá trình cách ly của các ion xảy ra. Nguyên nhân chính gây ra hiện tượng tự xả của siêu tụ chính là quá trình khuếch tán. Hình dáng bên ngoài của một loại siêu tụ như trên Hình 1.4.
Ngoài hai thiết bị tích trữ năng lượng gọi là kho điện kể trên, còn có một số thiết bị tích trữ năng lượng như bánh đà tích trữ cơ năng, pin nhiên liệu tích trữ hóa năng và thủy điện tích năng,…