Siêu tụ điện là thiết bị lưu trữ năng lượng điện tiên tiến có khả năng lưu trữ lượng điện lớn. Không giống như điện trở, tiêu tán năng lượng dưới dạng nhiệt, siêu tụ điện lưu trữ năng lượng hiệu quả mà không bị mất mát đáng kể. Cấu trúc cơ bản của siêu tụ điện bao gồm hai tấm dẫn điện song song được ngăn cách bởi vật liệu cách điện, được gọi là điện môi.

Tụ điện lưu trữ năng lượng bằng cách tích điện và lượng điện tích được tỷ lệ thuận với điện áp được áp dụng trên các tấm. Mối quan hệ giữa điện tích (Q), điện áp (V) và điện dung (C) được biểu thị bằng phương trình ( Q = C V), trong đó Q là điện tích tính bằng coulomb, C là điện dung tính bằng farad và V là điện áp tính bằng vôn. Điện dung của tụ điện phản ánh khả năng lưu trữ điện tích của tụ điện, với các giá trị điện dung lớn hơn dẫn đến lưu trữ điệnlớn hơn cho một điện áp nhất định.

Đơn vị điện dung là farad (F), được đặt theo tên của Michael Faraday. Một farad được định nghĩa là điện dung của tụ điện cần điện tích một coulomb để tạo ra hiệu điện thế một vôn giữa các bản cực của tụ điện. Tuy nhiên, trong các ứng dụng thực tế, giá trị farad thường quá lớn, do đó, các đơn vị nhỏ hơn như microfarad (μF), nanofarad (nF) và picofarad (pF) thường được sử dụng.

Siêu tụ điện khác với tụ điện thông thường ở chỗ cung cấp các giá trị điện dung từ vài milifarad (mF) đến hàng chục farad, tất cả đều nằm trong một kích thước nhỏ gọn. Điện dung cao hơn cho phép siêu tụ điện lưu trữ nhiều năng lượng điện hơn đáng kể.

Năng lượng được lưu trữ trong tụ điện được tính bằng phương trình ( E = ½ (CV^2)), trong đó E là năng lượng tính bằng joule, C là điện dung tính bằng farad và V là điện áp trên các bản cực của tụ điện. Siêu tụ điện đạt được khả năng lưu trữ năng lượng cao thông qua cấu trúc của chúng, có các diện tích tấm dẫn điện lớn và khoảng cách tối thiểu giữa các tấm.

Siêu tụ điện sử dụng chất điện phân lỏng hoặc ướt giữa các điện cực của chúng, không giống như tụ điện thông thường sử dụng vật liệu điện môi rắn. Thiết kế này mang lại cho siêu tụ điện các đặc tính điện hóa tương tự như tụ điện phân. Tuy nhiên, không có phản ứng hóa học nào xảy ra trong quá trình lưu trữ năng lượng trong siêu tụ điện, khiến chúng về cơ bản là các thiết bị tĩnh điện. Chúng lưu trữ năng lượng dưới dạng trường điện giữa hai điện cực dẫn điện.

Các điện cực trong siêu tụ điện thường được làm từ carbon dẫn điện hoạt tính, ống nano carbon hoặc gel carbon. Những vật liệu này cung cấp diện tích bề mặt lớn, tăng cường khả năng lưu trữ điện tích của tụ điện. Một màng giấy xốp, được gọi là bộ tách, giữ các điện cực tách biệt trong khi cho phép các ion dương đi qua và chặn các electron. Cả bộ tách và điện cực carbon đều được tẩm chất điện phân lỏng và một lá nhôm đóng vai trò là bộ thu dòng điện, kết nối siêu tụ điện với các mạch bên ngoài.

Siêu tụ điện đôi khi được gọi là "tụ điện hai lớp" do cấu tạo của chúng, về cơ bản tạo ra hai tụ điện nối tiếp—mỗi tụ điện ở một điện cực cacbon. Thiết kế này cho phép siêu tụ điện đạt được giá trị điện dung cao trong khi vẫn duy trì kích thước vật lý nhỏ gọn.

Tuy nhiên, siêu tụ điện có một hạn chế: dung lượng điện áp của chúng tương đối thấp, thường dao động từ 1 đến 3 vôn trên mỗi cell. Định mức điện áp của một cell siêu tụ điện chủ yếu được xác định bởi điện áp phân hủy của chất điện phân. Để đạt được điện áp cao hơn, nhiều cell siêu tụ điện phải được kết nối nối tiếp. Ngược lại, để tăng điện dung, có thể kết nối các cell song song.

Tổng điện áp và điện dung của một tổ hợp siêu tụ điện được tính bằng các công thức sau:

• Tổng điện áp: ( V_total = N*V_cell)
• Tổng điện dung: ( C_total = C_cell*M)

trong đó V_cell và C_cell là điện áp và điện dung của một cell đơn, N là số cell nối tiếp và M là số cell song song. Siêu tụ điện, giống như pin, có cực tính xác định, với cực dương được đánh dấu trên thân tụ điện.

Hãy xem xét một ví dụ trong đó một siêu tụ điện 5,5 vôn với 1,5 farad được yêu cầu làm nguồn dự phòng lưu trữ năng lượng cho một mạch điện tử. Nếu tụ điện siêu nhỏ được chế tạo từ các cell riêng lẻ 2,75 vôn, 0,5 farad, thì phải kết nối hai cell theo chuỗi để đạt được điện dung mong muốn là 5,5 vôn. Để đạt được điện dung mong muốn, sáu cặp được kết nối theo chuỗi như vậy (tổng cộng là 12 cell) phải được kết nối song song, tạo thành một mảng tụ điện siêu nhỏ 6x2.

Tụ điện siêu nhỏ lưu trữ năng lượng điện dưới dạng điện tích trong trường điện giữa các bản cực của chúng. Trong quá trình sạc, dòng điện chạy vào tụ điện siêu nhỏ và năng lượng được lưu trữ. Khi đã sạc đầy, tụ điện siêu nhỏ duy trì điện áp đầu cực và lưu trữ năng lượng điện cho đến khi cần. Trong quá trình xả, tụ điện siêu nhỏ giải phóng năng lượng được lưu trữ này dưới dạng dòng điện để cấp nguồn cho tải được kết nối. Lượng năng lượng được lưu trữ tỷ lệ thuận với điện dung và bình phương điện áp giữa các đầu cực.

Ví dụ, một tụ điện siêu nhỏ có định mức 5,5 vôn, 1,5 farad lưu trữ khoảng 22,7 joule năng lượng. Năng lượng này vẫn có sẵn dưới dạng điện tích trong chất điện môi điện phân cho đến khi xả hết. Một siêu tụ điện lý tưởng không tiêu thụ năng lượng mà lưu trữ và giải phóng năng lượng khi cần thiết.

Siêu tụ điện có giá trị điện dung lớn và định mức điện áp cao hơn có và mật độ năng lượng đáng kể, khiến chúng trở nên lý tưởng cho nhiều ứng dụng khác nhau. Chúng được sử dụng trong các loại xe điện hybrid, bao gồm cả xe Công thức 1, làm thiết bị lưu trữ năng lượng cho hệ thống phanh tái tạo. Siêu tụ điện nhanh chóng hấp thụ và giải phóng năng lượng trong quá trình phanh và tăng tốc. Chúng cũng được sử dụng trong các hệ thống năng lượng tái tạo để thay thế cho ắc quy axit chì.

Siêu tụ điện là thiết bị lưu trữ năng lượng hiệu quả do có điện dung cao và khả năng cung cấp năng lượng nhanh, khiến chúng trở thành thành phần có giá trị trong công nghệ hiện đại.