Siêu tụ điện PGS. Lê Văn Doanh -Đặng Chí Dũng- Nguyễn Vũ Thanh Bộ môn Thiết bị điện-điện tử Trường ĐHBK Hà nội Khi muốn tích điện chúng ta đều nghĩ đến pin hoặc ăcquy là những nguồn điện hóa quen thuộc. Các nguồn điện hóa mặc dù rất phổ biến nhưng có nhược điểm chung là có dung lượng hạn chế, các sản phẩm phế thải của chúng không thân thiện với môi trường. Thời gian nạp của các ăcquy đòi hỏi nhiều giờ. Công nghệ vật liệu tiền tiến nano cho phép khắc phục được những nhược điểm này. Ngày nay người ta đ ã chế tạo được các siêu tụ điện có điện dung tới 5000 fara. cao hơn điện dung của các tụ điện thông thường h àng tỷ lần, thời gian nạp chỉ khoảng 10 giây. Siêu t ụ điện mở ra triển vọng ứng dụng vô cùng to lớn. VÀI NÉT LỊCH SỬ Các siêu tụ điện Người ta đã tình cờ phát hiện siêu tụ điện từ năm 1957 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. Tiếc thay sau đó General Electric ngừng phát triển theo hướng n ày. Năm 1966 siêu tụ điện được phát hiện trở lại khi các kỹ sư của 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 nhi ên họ cũng thất bại trong việc thương mại hóa siêu tụ điện. Từ năm 1990 do sự phát triển của công nghệ vật liệu tiền 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 tr ên công nghệ CMOS kích cỡ 22 nm, siêu tụ điện đã có bước tiến rất đáng kể. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA CÁC SIÊU TỤ ĐIỆN Tụ điện là hai bản kim loại phân cách giữa chúng là chất điện môi (hình 1.a). Điện dung của tụ điện C tính bằng fara đặc trưng cho khả năng tích lũy năng lượng điện trường của nó. Điện dung của tụ điện phẳng tính bằng: Trong đó là hằng số điện mội, A l à diện tích bản cực, d là khoảng cách giữa hai bản cực. Để tăng điện dung C cần chế tạo tụ điện có diện tích bản cực lớn, bằng cách sử dụng nhiều lá nhôm mỏng Hình 1a Các loại tụ điện quấn lại hoặc giảm khoảng cách giữa hai bản cực. Tuy nhiên khi gi ảm khoảng cách thì điện áp định mức của tụ điện cũng giảm đi. Trong tụ điện truyền thống năng lượng được tích lũy bởi hạt mang điện là các điện tử v à tạo nên điện áp giữa hai bản cực Các tụ điện thông thường chỉ có điện dung cỡ microfara (một phần triệu fara). Tụ điện hóa có lớp điện phân (hình 1b) tạo nên lớp điện môi oxit nhôm rất mỏng, bền vững nên điện dung của nó tăng rõ rêt. Chú ý là t ụ hóa có cực tính. Trong siêu tụ điện (hình 1c) còn gọi là supercapacitor ho ặc ultracapacitor, bản cực là than hoạt tính có cấu trúc gồm nhiều lỗ rỗng. Nhờ cấu trúc gồm lỗ rỗng nhỏ li ty này mà di ện tích bản cực tăng lên rất nhiều. Diện tích bản cực của điện cực than hoạt tính vào khoảng 400 - 1000 m/gam. Ví dụ tụ điện điện cực than hoạt tính có kích cỡ nằng nửa lon nước ngọt có diện tích bản cực tới 25.000m2!, khoảng cách cũng giảm đi rất nhiều, do đó điện dung có thể đạt được cỡ fara lớn hơn điện dung của tụ điện hóa thông thường h àng triệu, thậm chí hàng tỷ lần. Hằng số điện môi của siêu tụ điên có thể đạt tới . Để chế tạo các bản cực trong siêu tụ điện người ta thường sử dụng: - C a r b o n n a notubes. - Oxit kim lo ại. Hình 1b Mật độ năng lượng trong các pin, ắcquy, siêu tụ điện - Polyme dẫn điện. Điện áp giũa các bản cực v ào khoảng 2-3 V Trong t ụ điện truyền thống năng lượng được tích lũy bởi hạt mang điện là các điện tử v à tạo nên điện áp giữa hai bản cực. Trong siêu tụ điện mỗi lớp gần như vật dẫn chỉ chịu được điện áp thấp. Để chịu được điện áp cao chúng cần được ghép nối tiếp với nhau. Nói chung để tăng mật độ năng lượng tích lũy cần sử dụng vật liệu xốp cỡ nano. Hình 2 biểu diễn mật độ năng lượng của các thiết bị tích điện. Các ăcquy ch ì có mật độ 30-40 Wh/kg, awcquy Lithium-ion có m ật độ năng lượng lên đến 120 Wh/kg còn các siêu tụ điện có mật độ năng lượng tới 6 kWh/kg với hiệu suất 95%. Ăcquy hoạt động dựa theo nguy ên lý điện hóa do đó tốc độ phóng nạp của nó tương đối chậm. Việc nạp đầy ắcquy cần khoảng 8 giờ. Các tụ điện có thể phóng nạp rất nhanh với hằng số thời gian bị giới hạn bởi tổn hao nhiệt của các điện cực, do đó chỉ bằng một phần trăm thời gian nạp ăcquy. CÁC ĐẶC ĐIỂM CỦA SIÊU TỤ ĐIỆN So với pin và ăcquy thông thường siêu tụ điện có những đặc điểm sau: - Cho phép nạp rất nhanh (nạp đầy trong khoảng 10 giây). - Cho phép phóng nạp nhiều lần (hàng vạn lần) so với từ 200 đến 1000 lần của ăcquy - Phương pháp nạp đơn giản, không cần mạch cảnh báo nạp đầy, khi quá tải không gây ảnh hưởng tới tuổi thọ. - Tuổi thọ cao, trên 10 năm. - Nhược điểm của siêu tụ điện là điện áp mỗi tụ nguyên tố thấp hơn, hiện tượng tự phóng nhanh hơn so với pin điện hóa do có nội trở lớn hơn. MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA SIÊU TỤ ĐIỆN Hiện nay các siêu tụ điện đã được thử nghiệm làm nguồn điện trong các phương tiện giao thông. Trung Quốc đ ã thử nghiệm xe bus chạy điện sử dụng siêu tụ điện (capabus) thay cho ăcquy có khả năng nạp đầy trong khi đỗ tại bến lấy khách. Năm 2006 tại Thượng Hải đ ã chạy thí điểm 2 tuyến xe bus chạy điện sử dụng siêu tụ điện. Năm 2001 và 2002 nước Đức đ ã thử nghiệm tuyến xe bus công cộng sử dụng kết hợp diesel và siêu tụ điện. Từ năm 2003 tại Manheim Sadbahn, nước Đức đ ã vận hành tuyến đường đường sắt nhẹ sử dụng siêu tụ điện để tích năng lượng phanh Siemens AG đ ã phát triển Sibac Energy Storage dựa trên siêu tụ điện dùng cho phương tiện di động. Công ty Senelec cũng đã phát triển hệ thống giao thông dựa trên siêu tụ điện. Cùng với sư phát triển của công nghệ nano các siêu tụ điện có tương lai đầy hứa hẹn. Hình 3 minh h ọa hình dáng bên ngoài của các siêu tụ điện. . 22 nm, siêu tụ điện đã có bước tiến rất đáng kể. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA CÁC SIÊU TỤ ĐIỆN Tụ điện là hai bản kim loại phân cách giữa chúng là chất điện môi. hạt mang điện là các điện tử v à tạo nên điện áp giữa hai bản cực Các tụ điện thông thường chỉ có điện dung cỡ microfara (một phần triệu fara). Tụ điện hóa