4.1 Tổng quan về siêu tụ
Hình 4.1 Sơ đồ phân loại theo cấp bậc của tụ điện loại siêu tụ và tụ điện của một số
loại liên quan.
Một siêu tụ điện (SC) (cũng là tụ điện điện hai lớp điện (EDLC), còn được gọi là supercap, ultracapacitor hoặc Goldcap) là tụ điện dung lượng cao với giá trị điện dung lớn hơn nhiều so với các tụ điện khác (nhưng giới hạn điện áp thấp) làm giảm khoảng cách giữa điện phân tụ điện và pin sạc. Chúng thường lưu trữ 10 đến 100 lần năng lượng trên một đơn vị khối lượng hoặc khối lượng hơn tụ điện, có thể tiếp nhận và phân phối điện năng nhanh hơn nhiều so với loại pin, và chịu đựng được nhiều chu kỳ nạp và xả hơn so với pin có thể sạc lại được.
Các tụ điện siêu tụ được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu nhiều chu kỳ nạp / xả nhanh hơn là lưu trữ năng lượng nhỏ gọn trong dài hạn: trong xe ô tô, xe buýt, xe lửa, cần cẩu và thang máy, nơi chúng được sử dụng cho phanh tái tạo, lưu trữ năng lượng ngắn hạn hoặc cung cấp điện . Các chi tiết nhỏ hơn được sử dụng như là bộ nhớ sao lưu cho bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên tĩnh (SRAM).
Không giống như các tụ điện thông thường, các tụ điện siêu tụ không sử dụng điện môi rắn truyền thống, mà đúng hơn, chúng sử dụng điện dung hai lớp tĩnh điện và điện mơi điện hóa lưu, cả hai đều đóng góp vào tổng điện dung của tụ điện với một vài khác biệt:
• Tụ điện hai lớp tĩnh điện sử dụng điện cực cacbon hoặc các dẫn xuất có điện dung hai lớp tĩnh điện cao hơn so với điện mơi giả hóa điện, đạt được sự tách biệt điện tích trong một lớp Helmholtz ở giao diện giữa bề mặt điện cực dẫn điện và điện phân. Sự phân chia điện tích là theo thứ tự của một vài ångströms (0.3-0.8 nm), nhỏ hơn nhiều so với trong một tụ điện thơng thường.
• Các tụ điện hóa học điện mơi sử dụng oxit kim loại hoặc dẫn điện cực polymer với một số lượng bổ sung điện mơi điện hóa lưu cao hơn so với dung điện hai lớp. Sự mất điện hóa lưu trữ bằng phương pháp truyền điện tử Faradaic với phản ứng oxi hóa, phản ứng trung gian hoặc sự hấp thụ điện.
• Các tụ điện lai, ví dụ như tụ điện lithium-ion, sử dụng các điện cực có các đặc tính khác nhau: một điện cực biểu hiện chủ yếu là điện dung tĩnh điện và điện dung điện hóa chủ yếu khác.
Chất điện phân này tạo thành một liên kết dẫn ion giữa hai điện cực phân biệt chúng với các tụ điện điện phân thông thường nơi mà một lớp điện môi luôn tồn tại và chất điện phân (ví dụ MnO2 hoặc polymer dẫn điện) thực sự là một phần của điện cực thứ hai (cực âm, hoặc chính xác hơn điện cực dương). Các tụ điện siêu tụ được phân cực bằng thiết kế với các điện cực không đối xứng, hoặc đối với điện cực đối xứng, bằng một điện thế tiềm năng được áp dụng trong quá trình sản xuất.
4.2 Thiết kế cơ bản
Hình 4.2 Cấu trúc điển hình của một siêu tụ: 1) Nguồn điện, 2) Bộ thu, 3) Điện cực
phân cực, 4) Helmholtz lớp kép, 5) Điện phân có ion dương và âm, 6) mặt phân cách. Các tụ điện hóa học (supercapacitors) bao gồm hai điện cực được phân cách bởi một màng lọc thấm ion (ngăn cách), và điện cực kết nối cả hai điện cực. Khi các điện cực được phân cực bằng điện áp áp dụng, các ion trong dạng điện phân tạo thành các lớp điện cực hai cực điện cực đối cực với cực điện cực. Ví dụ, điện cực phân
cực dương sẽ có một lớp ion âm tại giao diện điện cực / điện phân cùng với một lớp cân bằng điện tích của các ion dương hấp thụ lên lớp âm. Điều ngược lại đúng đối với điện cực phân cực âm.
Ngoài ra, phụ thuộc vào vật liệu điện cực và hình dạng bề mặt, một số ion có thể thấm qua lớp kép trở thành các ion hấp phụ đặc biệt và đóng góp với điện hóa lưu trữ cho tổng điện dung của tụ siêu tụ.
4.3 Phân phối điện dung
Hai điện cực tạo thành một mạch nối tiếp gồm hai tụ điện C1 và C2. Tổng điện dung Ctotal được cho bởi cơng thức
Các tụ điện siêu tụ có thể có điện cực đối xứng hoặc bất đối xứng. Sự đối xứng ngụ ý rằng cả hai điện cực có giá trị điện dung giống nhau, mang lại tổng điện dung của một nửa giá trị của mỗi điện cực đơn (nếu C1 = C2, sau đó là Ctotal = 0.5 ⋅ C1). Đối với các tụ điện không đối xứng, điện dung tổng có thể được thực hiện như điện cực với điện dung nhỏ hơn (nếu C1 >> C2, sau đó Ctotal ≈ C2).
4.4 Nguyên tắc lưu trữ
Các tụ điện hóa học sử dụng hiệu ứng hai lớp để lưu trữ năng lượng điện, tuy nhiên, lớp kép này khơng có điện mơi rắn thơng thường để tách các điện tích. Có hai ngun tắc lưu trữ trong lớp điện cực kép của điện cực góp phần vào tổng điện dung của tụ điện hóa học:
• Điện dung hai lớp, điện tích tĩnh điện lưu trữ bằng cách tách điện tích trong một lớp Helmholtz kép .
• Điện hóa lưu, lưu trữ hóa điện của năng lượng điện đạt được bằng các phản ứng oxi hóa redox với chuyển tải điện.
Cả hai điện dung chỉ có thể tách ra bằng các kỹ thuật đo lường. Lượng phí lưu trữ trên mỗi đơn vị điện áp trong một tụ điện hóa chủ yếu là một chức năng của kích thước điện cực, mặc dù số lượng điện dung của mỗi nguyên liệu lưu trữ có thể rất khác nhau.
Trên thực tế, các nguyên tắc lưu trữ này mang lại một tụ điện với giá trị điện dung theo thứ tự từ 1 đến 100 farad.
4.5 So sánh với các công nghệ lưu trữ khác
Các tụ điện siêu tụ cạnh tranh với tụ điện và pin sạc được đặc biệt là pin lithium- ion.
Bảng 4.1 So sánh các thơng số chính của siêu tụ với tụ điện và pin.