Tài liệu Siêu tụ điện doc

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