Siêu tụ điện là các thiết bị lưu trữ năng lượng đầy hứa hẹn cho thế hệ tương lai. Chúng lưu trữ năng lượng thông qua một cơ chế phân tách điện tích và có tỷ lệ xả điện tích cao, năng lượng và công suất cụ thể. Có sự khác biệt giữa các siêu tụ điện với pin liên quan đến tuổi thọ chu kỳ, hiệu quả, tự xả, độ nhạy nhiệt độ, bảo trì, chi phí và các ứng dụng khác. Các nghiên cứu trước đây chủ yếu tập trung vào những tiến bộ trong vật liệu điện cực, nhấn mạnh những tiến bộ gần đây trong công nghệ nano điện cực, tập trung vào các cấu trúc nano phù hợp, vật liệu nano carbon tiên tiến, vật liệu nano 2D, điện cực không chứa chất kết dính, vật liệu tổng hợp nano và kỹ thuật đặc tính tiên tiến. Những thách thức và hạn chế liên quan đến các điện cực siêu tụ và các thiết bị tiềm năng để cải thiện hiệu suất đang được các kỹ sư rất quan tâm. Hơn nữa, việc áp dụng các siêu tụ điện trong xe điện, tích hợp năng lượng tái tạo, ổn định lưới và hệ thống cung cấp năng lượng liên tục đang được triển khai trên nhiều quy mô khác nhau.

Siêu tụ điện là gì?

Supercapacitor, còn được gọi là siêu tụ điện hoặc tụ điện cực, là các thiết bị lưu trữ năng lượng lưu trữ năng lượng điện thông qua cơ chế phân tách điện tích tĩnh. Các tụ điện truyền thống dựa vào sự phân tách vật lý của điện tích trên các tấm dẫn điện. Thuộc tính điện dung của một tụ điện làm cho nó trở nên độc đáo trong nhiều ứng dụng khác nhau.

Các loại điện dung

Điện dung hai lớp

Điện dung hai lớp xảy ra tại giao diện giữa vật liệu điện cực và chất điện phân. Khi một điện áp được áp dụng trên siêu nhiệt, các ion từ chất điện phân tích tụ ở bề mặt điện cực trong một lớp điện tích đối diện. Sự tích lũy tĩnh điện này tạo ra một lớp kép điện, dẫn đến việc lưu trữ điện tích mà không có phản ứng hóa học.

Pseudoc-capcitance

Ngoài điện dung hai lớp, một số vật liệu Pseudoc-capaciatance, liên quan đến các phản ứng oxi hóa khử có thể đảo ngược ở bề mặt điện cực. Các vật liệu Pseudocapcitance, chẳng hạn như oxit kim loại và các polyme dẫn điện, lưu trữ điện tích bằng cách trao đổi các electron trong các phản ứng oxy hóa khử, dẫn đến khả năng lưu trữ năng lượng cao hơn điện dung hai lớp tinh khiết. Siêu tụ điện cũng có thể được phân loại thành nhiều loại dựa trên cơ chế xây dựng, chất điện giải và lưu trữ năng lượng của chúng. Mỗi loại siêu tụ điện có ưu điểm và giới hạn, làm cho chúng phù hợp cho các ứng dụng khác nhau dựa trên mật độ năng lượng cần thiết, đầu ra công suất và đặc điểm hoạt động.

Phân loại dựa trên cấu trúc

• Pseudocapacitor: Các siêu tụ điện này sử dụng cả điện dung hai lớp và phản ứng oxi hóa khử faradaic tại giao diện điện cực. Nó lưu trữ năng lượng thông qua các phản ứng bề mặt có thể đảo ngược.
• Các tụ điện hai lớp điện (EDLCS): EDLCS chủ yếu lưu trữ năng lượng thông qua việc tách các điện tích tĩnh điện ở giao diện điện cực-điện cực, tạo thành cấu trúc hai lớp.
• Các siêu tụ điện lai: Các tính năng kết hợp của cả Pseudo CA Pacitor và EDLC, cung cấp một cách tiếp cận cân bằng cho mật độ năng lượng và năng lượng cao hơn.

Phân loại dựa trên chất điện giải

• Supercapacitor nước: chúng sử dụng các chất điện giải gốc nước, thường là hỗn hợp nước và ion, cung cấp độ dẫn và an toàn tốt nhưng giới hạn điện áp thấp hơn.
• Supercapacitor điện phân hữu cơ: chúng sử dụng dung môi hữu cơ làm chất điện giải, cung cấp phạm vi điện áp và mật độ năng lượng cao hơn so với các đối tác nước.
• Supercapacitor trạng thái rắn: Chúng thay thế các chất điện giải lỏng bằng chất điện giải rắn, tăng cường an toàn, ổn định và tiềm năng.

Phân loại dựa trên vật liệu

• Các siêu tụ điện dựa trên carbon: Chúng sử dụng các vật liệu carbon, chẳng hạn như ống nano carbon và carbon hoạt hóa, làm điện cực để tạo ra diện tích bề mặt cao để lưu trữ điện tích.
• Siêu tụ điện oxit kim loại: Những vật liệu oxit kim loại này, chẳng hạn như ruthenium oxit và mangan dioxide, trải qua các phản ứng oxi hóa khử faradaic để lưu trữ điện tích.
• Tiến hành các siêu tụ polymer: Những người sử dụng các polyme dẫn điện, như polypyrrole và polyaniline, trải qua các phản ứng oxi hóa khử có thể đảo ngược để lưu trữ năng lượng.
  

Các tính chất của siêu tụ điện vượt hơn so với pin truyền thống

Siêu tụ điện cung cấp những lợi thế riêng biệt so với pin truyền thống, đặc biệt là trong việc cung cấp năng lượng. Trong khi pin có mật độ năng lượng cao hơn, các siêu tụ điện nổi trội trong việc cung cấp các đợt sản lượng công suất cao. Do đó, các siêu tụ điện được ưa chuộng cho các ứng dụng yêu cầu cung cấp năng lượng nhanh chóng và hệ thống phanh tái tạo.

Những thách thức và hạn chế của siêu tụ điện

Mặc dù có những tiến bộ to lớn trong công nghệ siêu tụ điện, hiện nay các nhà nghiên cứu phải đối mặt với một số thách thức và hạn chế trong việc tối ưu hóa hiệu suất điện cực và thúc đẩy các ứng dụng thực tế của siêu tụ điện. Giải quyết các rào cản này là rất quan trọng để mở khóa toàn bộ tiềm năng của siêu tụ điện là các thiết bị lưu trữ năng lượng bền vững và hiệu quả. Một số những thách thức và hạn chế điển hình các kỹ sư hay gặp phải trong quá trình phát triển siêu tụ điện có thể kể đến như: 

• Mật độ năng lượng so với sự đánh đổi mật độ công suất
• Việc phát triển vật liệu và chi phí
• Độ ổn định và độ bền 
• Độ nhạy nhiệt độ
• Khả năng mở rộng và thương mại hóa
• Tác động môi trường của vật liệu

Các ứng dụng của các thiết bị lưu trữ năng lượng dựa trên siêu tụ điện cung cấp năng lượng cho tương lai

Các siêu tụ điện đã nổi lên như một công nghệ lưu trữ năng lượng đa năng với các ứng dụng khác nhau trong các ngành công nghiệp khác nhau. Sự kết hợp độc đáo của nó giữa mật độ công suất cao, khả năng xả điện tích nhanh và vòng đời dài là thiết bị đầy hứa hẹn để giải quyết các thách thức lưu trữ năng lượng đa dạng. Các thiết bị lưu trữ năng lượng dựa trên siêu tụ điện cung cấp các ứng dụng khác nhau trong các ngành công nghiệp, là mấu chốt trong việc đạt được các thiết bị năng lượng hiệu quả và bền vững. Tiếp tục nghiên cứu và tiến bộ trong công nghệ siêu tụ điện sẽ mở rộng phạm vi ứng dụng và đẩy nhanh việc áp dụng thân thiện với môi trường.