Siêu tụ điện

1. Tụ điện

Chúng ta rất quen thuộc với tụ điện trình bày ở sách giáo khoa: tụ điện có hai bản cực bằng kim loại diện tích S nằm song song và cách nhau một khoảng cách d, điện dung C của tụ điện là: C = ε.S/d; ε là hằng số điện môi của chất giữa hai bản của tụ điện. Khi nối hai bản cực của tự điện với hiệu điện thế U, tụ điện chứa được điện tích Q = CU, năng lượng điện của tụ điện lúc đó là: E = 1/2CU ²= 1/2 Q ²/C = 1/2QU.

Ta thấy muốn có được tụ điện với điện dung C lớn phải tìm chất có hằng số điện môi lớn đặt giữa hai bản của tụ điện, phải giảm khoảng cách d giữa hai bản tụ điện và phải tăng diện tích S của bản tụ điện. Khi đã có tụ điện với điện dung C, muốn tụ chứa được nhiều điện, phải nối tụ điện với hiệu điện thế U cao. Tuy nhiên, tùy theo cấu tạo và chất liệu của điện môi, mỗi loại tụ điện chỉ chịu được một hiệu điện thế U nhất định, nếu hiệu điện thế tác dụng cao quá, tụ điện có thể bị đánh thủng.

Về mặt vật lý, hiệu điện thế tác dụng lên tụ điện tạo ra điện trường, điện trường này làm phân cực các phân tử của chất điện môi (H.1). Điện tích Q của tụ điện chỉ có ở bề mặt bản tụ điên. Năng lượng điện chứa trong tụ diện là năng lượng của trường tĩnh điện giữa hai bản cực. Quá trình nạp điện cũng như phóng điện của tụ điện xảy ra rất nhanh, tùy thuộc vào những yếu tố bên ngoài chứ không phụ thuộc vào bản thân tụ điện vì ở tụ điện không có quá trình hóa học xảy ra.

Lâu nay, người ta vẫn phân loại gọi tên tụ điện theo chất điện môi giữa hai bản tụ điện: tụ điện không khí, tụ điện chân không, tụ điện mica, tụ điện thủy tinh… Các loại tụ điện này có điện dung rất nhỏ vào cỡ hàng chục đến hàng nghìn picofarad (1 picofarad viết tắt là pF, bằng 10 ^-12F, farad là điện dung của tụ điện khi hai bản cực có hiệu điện thế là một vôn thì tích điện được một culông).

Rất khó chế tạo được tụ điện có điện dung lớn. Người ta đã dùng màng polyme chất lượng cao (polycarbonate, polystyrene, polyester). Bốc bay màng mỏng kim loại lên hai bên màng polyme để làm hai bản cực và quấn lại thành tụ điện có diện tích lớn, ε cao và d nhỏ, nhưng điện dung cũng chỉ xấp xỉ micro farad (phần triệu farad). Tụ điện hóa có điện dung cỡ vài chục microfarad, thực tế có một điện cực là lá nhôm mỏng cho ăn mòn điện hóa sao cho bề mặt lớp oxyt nhôm cách điện rất mỏng. Trên lớp oxyt nhôm là lớp điện ly dùng làm điện cực. Như vậy gọi là tụ hóa là do khi chế tạo dùng phương pháp hóa còn khi hoạt động vẫn theo tác dụng điện trường như nhiều loại tụ điện khác. Tuy lớp oxyt nhôm rất mỏng (d nhỏ) diện tích S rất lớn điện dung C của tụ hóa cũng vào cỡ hàng chục microfarad.

Tụ điện theo đúng nghĩa là chứa điện (tích) nhưng lâu nay do điện dung của tụ điện quá nhỏ nên rất khó dùng điện tích mà tụ điện chứa được để trực tiếp tạo ra dòng điện sử dụng như ở ăcquy, ở pin nạp.

Nhưng ngày nay, đã có siêu tụ điện, kích thước không to lắm, có điện dung đến hàng trăm, hàng ngàn Farad, đang bắt đầu cạnh tranh với ắcquy, pin nạp ở nhiều lĩnh vực.

2. Siêu tụ điện

Con đường phát triển dẫn đến siêu tụ điện được sử dụng rất phổ biến hiện nay bắt đầu từ năm 1960 khi Trung tâm nghiên cứu SOHIO ở bang Ohio (Mỹ) phát hiện rằng hai tấm than hoạt tính nhúng vào dung dịch điện phân khi nối điện trở thành một cái tụ điện có điện dung đặc biệt lớn. Sau đấy SOHIO làm được dung dịch điện phân hữu cơ thay cho dung dịch điện phân thường, điện dung của tụ điện thử nghiệm cao hơn nhiều lần.

Năm 1971 SOHIO sáng chế ra kỹ thuật làm tụ điện lớp kéo và năm 1980 hãng Matsushita làm ra các điện cực đặc biệt và sáng chế ra siêu tụ điện (supercapacitor hay ultracapacitor). Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của siêu tụ điện như sau (hình 2).

Có hai lá kim loại, mỗi lá gắn liền với một lớp than hoạt tính, ở giữa có một tấm ngăn cách mỏng thường là giấy đặc biệt tạo thành tấm ngăn cách, tất cả nhúng vào dung dịch điện phân.

Khi nối hai lá kim loại với cực dương, cực âm của nguồn điện một chiều, dưới tác dụng điện trường những ion âm trong dung dịch điện phân bị hút về phía lớp than hoạt tính nối với cực dương và chui vào các lỗ nhỏ trong than hoạt tính. Tương tự những ion mang điện dương chạy về phía tấm than hoạt tính nối với cực âm chui vào các lỗ nhỏ bê trong than hoạt tính.

Lớp ngăn cách tuy mỏng nhưng ngăn chặn được dòng điện chạy qua giữa hai điện cực ở phía bên trong tụ điện còn các ion âm và dương vẫn chuyển động thoải mái. Nhìn hình vẽ ta thấy có hai lớp điện tích sinh ra giống như là hai tụ điện mắc nối tiếp. Vì vậy người ta gọi siêu tụ điện là tụ điện có lớp điện tích kép EDLC (Electric Double Layer Capacitor).

Hình 2: Cấu tạo của siêu tụ điện

3. Một số đặc điểm của siêu tụ điện và ứng dụng

- Siêu tụ điện có điện dung rất lớn so với tụ điện thông thường nên chứa được rất nhiều điện (năng lượng điện bằng 1/2CU ²). Hơn nữa quá trình nạp điện, phóng điện là một quá trình vật lý, điều khiển điện tích chuyển động bằng điện trường, không dùng đến các phản ứng hóa học. Nhờ đó siêu tụ điện rất bền, không chóng bị suy thoái: thời gian sử dụng hàng chục năm, nạp đi nạp lại được hơn 500.000 lần (ăcquy, pin nạp loại tốt nạp đi nạp lại được vài ngàn lần, thời gian sử dụng cỡ một vài năm).

- Việc nạp điện hay phóng điện cho siêu tụ điện có thể tiến hành rất nhanh vì đây là cách dùng điện trường điều khiển các ion chuyển động để chạy vào các lỗ nhỏ ở than hoạt tính (khi nạp) hoặc cho electron chạy ở mạch ngoài để cân bằng loại các ion dương và âm tập trung ở các điện cực than (khi phóng). Ở pin nạp phải chờ thời gian trao đổi của phản ứng hóa học nên không thể nạp nhanh hoặc phóng nhanh.

- Do cấu tạo của lớp điện tích kép, giữa hai cực của một siêu tụ điện chỉ chịu được hiệu điện thế cỡ 2, 3 vôn. Vì vậy muốn làm việc ở điện thế cao, phải ghép nối tiếp nhiều siêu tụ điện.

- Cũng do cấu tạo của các điện cực bên trong rất gần nhau điện tích Q nạp cho siêu tụ điện dễ bị rò rỉ nên không giữ được lâu. Siêu tụ điện tự bị sụt thế nhanh hơn là ở pin nạp, ở ăcquy.

- Những thông số kỹ thuật đáng chú ý là đặc điểm về kích thước và giá thành.

Đối với các nguồn điện lưu động người ta đưa ra tiêu chuẩn năng lượng tạo ra được ứng với một đơn vị khối lượng của nguồn: Wh/kg (Watt giờ/kilogam).

Xét về mặt này siêu tụ điện loại tốt hiện nay có mật độ năng lượng xấp xỉ 60Wh/kg, chỉ bằng một nửa của pin nạp tốt nhất Li-ion 120Wh/kg. Tuy nhiên những nghiên cứu về công nghệ nano cho thấy đã làm được siêu tụ điện với ống nanocacbon mật độ công suất đến trên 100kWh/kg nghĩa là ba bậc cao hơn mật độ công suất ở pin nạp tốt nhất hiện nay.

Về giá thành người ta thường tính theo đơn vị đôla trên Farad nghĩa là để chứa được một Farad thì mất bao nhiêu tiền. Năm 1980 siêu tụ điện 2,3 vôn; điện dung 470 Farad do hãng Panasonic chế tạo tính ra giá thành là 2 đôla một Farad. Hiện nay giá thành đối với một siêu tụ điện như vậy giảm xuống chỉ còn 0,1 đôla một Farad và dự tính nay mai sẽ giảm xuống còn 0,005 đôla một Farad.

Có thể kể một vài ứng dụng của siêu tụ điện hiện nay.

- Ứng dụng trong giao thông:Trung Quốc đã thử nghiệm từ 2005 ở Thượng Hải loại xe buýt điện mới gọi là Capabus (Capacitor Bus). Loại xe này được trang bị động cơ điện chạy bằng điện chứa ở siêu tụ điện. Dọc đường xe chạy không có đường dây căng ở trên để xe có cần lấy điện từ đường dây như xe buyt chạy điện thông thường. Ở các trạm đỗ xe dọc đường có chỗ lấy điện để nạp nhanh điện cho siêu tụ điện, thời gian nạp điện ngắn hơn thời gian hành khách lên xuống, ở các trạm dừng xe đầu và cuối có chỗ nạp điện thật no cho siêu tụ điện.

- Ứng dụng trong năng lượng tái tạo:Đặc điểm của năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời, năng lượng gió v.v… là lúc có, lúc không, lúc có rất nhiều, lúc lại rất ít. Thí dụ pin mặt trời cung cấp điện tốt vào một số giờ ban ngày, lúc nắng to cho dòng điện rất mạnh, lúc mưa gió, trời tối dòng điện rất yếu hoặc bằng không. Lâu nay, người ta phải dùng ăcquy để tích điện, nhưng để nạp điện cho ăcquy no phải chờ từ vài giờ đến hơn nửa ngày. Nếu dùng siêu tụ điện, điện từ pin mặt trời mạnh đến bao nhiêu đều tích hết vào siêu tụ điện, không để “lãng phí” một chút nào. Đối với năng lượng gió cũng vậy, lúc gió to, siêu tụ điện kịp chứa hết điện năng sinh ra. Mặt khác trở ngại chính hiện nay khi sử dụng năng lượng tái tạo là phải dùng ăcquy để chứa điện nhưng ăcquy chỉ nạp lại được một số lần, nói chung là cỡ nửa năm, hay một năm phải thay ăcquy mới vừa tốn kém lại mất thời giờ. Còn dùng siêu tụ điện phải hơn mười năm mới phải thay.

Nhưng siêu tụ điện cũng có nhược điểm là tích điện không được lâu vì rò điện nội bộ giữa hai cực. Giải pháp tối ưu trong một số trường hợp hiện nay là dùng song song cả siêu tụ điện cả ăcquy.

Nguồn điện tái tạo (pin mặt trời hoặc năng lượng gió chẳng hạn) tạo ra được bao nhiêu điện năng, siêu tụ điện chứa ngay được hết và siêu tụ điện lại từ từ nạp điện cho ăcquy. Nhờ đó ăcquy luôn được nạp điện đầy đủ vừa luôn luôn có điện để dùng, vừa lâu mới phải thay ăcquy vì ăcquy rất chóng hỏng nếu nạp điện cho ăcquy không đầy đủ, để cho ăcquy cạn kiệt.

- Siêu tụ điện đặc biệt có ích khi dùng để thu gom năng lượng mất mát, bỏ đi . Một chiếc xe ôtô phải mất mát bao nhiêu năng lượng xăng dầu để lăn bánh, lúc phanh lại, ôtô mất hết động năng đã tích lũy được. Người ta lắp vào ôtô bộ phận phát ra dòng điện mạnh khi xe ôtô hãm phanh. Điện năng phát ra đó được chứa ngay vào siêu tụ điện. Người ta lại dùng điện năng chứa trong tụ điện này để khởi động xe vì lúc khởi động, xe từ đứng yêu đến chuyển động tốn rất nhiều năng lượng.

Tương tự khi cái cần cẩu nâng một vật lên cao tốn rất nhiều năng lựợng trong đó có năng lượng để nâng vật nhưng không ít năng lượng để nâng bản thân cái cần cẩu và các bộ phận để kẹp giữ vật nâng. Người ta làm bộ phận tự động phát điện khi cần cẩu hạ xuống, dòng điện sinh ra rất mạnh trong thời gian tương đối ngắn này được tích lũy lại ở siêu tụ điện và dùng để phục vụ cho việc nâng cần cẩu lên ở thời gian tiếp sau đó.

Hiện nay nhiều nhà nghiên cứu, nhiều hãng đang đẩy mạnh việc cải tiến, chế tạo siêu tụ điện, đặc biệt vận dụng công nghệ nanô sử dụng vật liệu có nhiều lỗ nhỏ, diện tích mặt ngoài cực lớn như vật liệu làm từ ống nanô cacbon. Siêu tụ điện có vai trò rất quan trọng trong xu thế tiết kiệm năng lượng, sử dụng năng lượng xanh hay năng lượng sạch đang được toàn thế giới khuyến khích đẩy mạnh hiện nay.