Siêu tụ điện là gì? Cấu tạo và ứng dụng trên xe ô tô điện

Công nghệ siêu tụ điện ngày nay đã được cải tiến và hoàn thiện hơn, giúp nâng cao đáng kể hiệu suất hoạt động của hệ thống năng lượng trong xe ô tô điện. 

Siêu tụ điện là gì?

Siêu tụ điện (supercapacitor/ultracapacitor) là một loại tụ hóa có mật độ điện dung cao gấp 10 cho tới 100 lần so với các tụ điện phân thông thường và có tốc độ sạc, xả nhanh. 

Biểu đồ so sánh điện dung giữa tụ điện thường, siêu tụ điện , pin và pin nhiên liệu từ đại học Stanford (Nguồn: Sưu tầm)

Siêu tụ điện được ứng dụng trên những thiết bị yêu cầu nguồn năng lượng tức thời có xung điện lớn, có thể sạc xả liên tục như: thang máy, cần cẩu, máy khử rung tim... Đặc biệt, công nghệ này cũng được thử nghiệm trên một số phương tiện giao thông như tàu điện siêu tốc, xe buýt và ô tô điện.

So với pin xe ô tô điện và ắc quy thông thường, siêu tụ điện có thể sạc và xả hàng triệu lần mà không bị chai, giảm điện dung hoặc bị hỏng. Tốc độ sạc và xả của siêu tụ điện cũng nhanh hơn pin và ắc quy. Tuy nhiên, pin khi xả cho dòng điện và công suất không đổi, trong khi đó, siêu tụ điện sẽ có công suất giảm dần đều theo tỷ lệ dự trữ năng lượng bên trong. Ví dụ khi siêu tụ điện xả 50% tổng năng lượng thì điện áp mà dòng điện sinh ra sẽ giảm 50% so với mức điện áp lúc đầy tụ.

Biểu đồ điện áp và đặc tính của siêu tụ điện (Nguồn: Sưu tầm)

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của siêu tụ điện

Các loại tụ điện nói chung như: tụ điện cố định, điện phân, biến đổi và siêu tụ điện đều có cấu tạo gồm hai hay nhiều bản kim loại được đặt song song với nhau. Khác biệt căn bản của từng loại nằm ở lớp vật chất đặt giữa các tấm kim loại này. 

Các loại tụ điện cố định sử dụng điện môi (chất cách điện) như gốm, mica, màng plastic (film); tụ điện điện phân sử dụng kim loại đã được xử lý bề mặt để tạo lớp oxit cách điện và phủ chất điện phân lên lớp oxit. Còn siêu tụ điện sử dụng điện dung tĩnh điện lớp kép và giả điện dung hóa cho lớp điện cực hoặc cả 2 phương pháp trên để tạo nên điện dung.

Siêu tụ điện tĩnh điện lớp kép (EDCL -  Electrostatic double-layer capacitors) là loại siêu tụ điện gồm điện cực cacbon (hoặc dẫn xuất cacbon), dung dịch điện phân và bộ phân tách giúp phân tách các ion. Khi có dòng điện chạy qua, các ion sẽ được phân tách và khuếch tán vào điện cực trái dấu với nó (ion âm sẽ dịch chuyển về cực dương, ion dương dịch chuyển về cực âm) và tạo thành 2 lớp tĩnh điện ở hai cực của siêu tụ điện với khoảng cách phân cách bởi lớp điện môi (D) cực kỳ nhỏ (xấp xỉ 0,1nm). Khi D càng nhỏ, điện dung C của khối siêu tụ điện sẽ càng lớn.

Cấu trúc của siêu tụ điện (Nguồn: Sưu tầm)

Cấu trúc của siêu tụ điện bao gồm: electrolyte separator - điện môi (lớp cách điện); iquid electrolyte - dung dịch điện phân; charged electrolyte ion - dòng ion tạo ra khi có dòng điện chạy qua siêu tụ điện và high surface area electrodes: là các tấm bề mặt điện cực, bao gồm cực dương (+ electrode) và cực âm (- electrode).

Siêu tụ điện giả điện dung hóa (Electrochemical pseudocapacitors) sử dụng oxit kim loại hoặc điện cực polymer để hình thành các phản ứng oxy hóa, xen phủ hoặc hấp thụ điện, từ đó tạo nên điện dung

Siêu tụ điện lai (hybrid capacitors), tiêu biểu là lithium-ion có một điện cực dùng tĩnh điện lớp kép và điện cực còn lại dùng giả điện dung hóa để tạo nên điện dung cho siêu tụ điện. Cơ chế lưu trữ điện của pin lithium-ion có nhiều nét tương đồng với tụ điện lithium-ion. 

Điện dung của siêu tụ điện tỉ lệ thuận với diện tích của bản kim loại và tỉ lệ nghịch với khoảng cách giữa các bản. Siêu tụ điện thường có khoảng cách giữa các tấm kim loại rất nhỏ, và thường sử dụng những vật liệu có độ xốp cao (kích thước phân tử nano), do đó lượng điện dung có thể chứa là rất lớn, lên tới 500F.

>>> Tìm hiểu thêm: Pin dành cho tụ điện Hybrid và Plug-in

Ứng dụng siêu tụ điện trên ô tô điện hiện nay và tiềm năng phát triển phương tiện xanh

Ưu điểm lớn nhất của công nghệ này là tốc độ sạc và xả cũng nhanh, giúp siêu tụ điện trở thành công cụ hỗ trợ cung cấp năng lượng tức thời cho ô tô điện. Hệ thống năng lượng kết hợp song song giữa pin và siêu tụ điện giúp tăng cường đáng kể công suất cực đại, đồng thời giảm biên độ dao động dòng điện tải trong pin, hỗ trợ kéo dài tuổi thọ sạc xả của pin, từ đó nâng cao khả năng vận hành của ô tô điện. 

Một trong những ứng dụng lớn nhất của hệ thống pin - siêu tụ điện chính là hệ thống phanh tái tạo năng lượng trên các dòng xe ô tô điện hiện đại. Cụ thể, phần năng lượng sinh ra khi phanh sẽ được sạc ngược lại vào siêu tụ điện. Với ưu điểm sạc nhanh, tụ hóa sẽ nhanh chóng thu phần động năng này, và khi khối pin chính cần, nó sẽ xả ra, cung cấp dòng năng lượng tức thời cho khối pin chính.

Bên cạnh siêu tụ điện, công nghệ pin lithium-ion hiện đại trên mẫu ô tô điện thông minh VinFast VF e34 cũng là một trong những đột phá giúp phát triển dòng ô tô xanh. Khối pin lithium-ion có tuổi thọ dài, dung lượng pin của ô tô điện VinFast VF e34 sau 1 lần sạc theo chuẩn NEDC có thể di chuyển khoảng 285km và chế độ sạc siêu nhanh khoảng 18 phút đi được khoảng 180km.

Tham khảo thông tin và đặt cọc để sở hữu mẫu ô tô điện ngay hôm nay!

Hotline: 0934.667.333