Siêu tụ điện so với Pin: Sự khác biệt là gì?

Siêu tụ điện đã xuất hiện từ những năm 1950, nhưng phải đến những năm gần đây, tiềm năng của chúng mới trở nên rõ ràng. Chúng ta hãy xem những thành phần máy tính lưu trữ năng lượng giống như pin nhưng sử dụng các nguyên tắc hoàn toàn khác nhau.

Tụ điện là gì?

Trước khi chúng ta tìm hiểu về siêu tụ điện, cần giải thích nhanh tụ điện thông thường là gì để giúp chứng minh điều gì làm cho siêu tụ điện trở nên đặc biệt. Nếu bạn đã từng nhìn vào bo mạch chủ máy tính hoặc hầu như bất kỳ bảng mạch nào, bạn sẽ thấy những linh kiện điện tử này.

Tụ điện lưu trữ điện năng như một điện trường tĩnh . Điều này cũng xảy ra tương tự khi bạn đi ngang qua một tấm thảm trong đôi tất và tích tụ điện tích, chỉ phóng điện khi bạn chạm vào tay nắm cửa. Bạn đang hoạt động như một tụ điện!

Bên trong một tụ điện điển hình, bạn sẽ tìm thấy hai dây dẫn được ngăn cách bằng vật liệu cách điện. Điện tích dương tích tụ trên một dây dẫn và điện tích âm trên dây dẫn kia. Do đó, có một trường tĩnh điện giữa hai tấm. Có nhiều cách khác nhau để thiết kế một tụ điện nhưng chúng đều có thành phần cơ bản là hai bản tích điện và một chất cách điện (điện môi). Chất cách điện có thể là không khí, gốm, thủy tinh, màng nhựa. chất lỏng, hoặc bất cứ thứ gì khác kém dẫn điện.

Tụ điện có rất nhiều công dụng trong lĩnh vực điện tử. Trong máy tính và các hệ thống kỹ thuật số khác, chúng đảm bảo rằng thông tin sẽ không bị mất nếu mất điện tạm thời. Chúng cũng hoạt động như một bộ lọc để làm sạch các xung điện có thể làm hỏng các thiết bị điện tử nhạy cảm.

Tụ điện và Pin khác nhau như thế nào

Tụ điện và pin giống nhau ở chỗ chúng đều có thể lưu trữ năng lượng điện và sau đó giải phóng nó khi cần thiết. Sự khác biệt lớn là tụ điện lưu trữ năng lượng dưới dạng trường tĩnh điện, trong khi pin sử dụng phản ứng hóa học để lưu trữ và sau đó giải phóng điện năng.

Bên trong pin có hai cực (cực dương và cực âm) với chất điện phân giữa chúng. Chất điện phân là một chất (thường là chất lỏng) có chứa các ion. Ion là những nguyên tử hoặc phân tử mang điện tích.

Ngoài ra còn có một bộ phân tách trong chất điện phân chỉ cho phép các ion đi qua nó. Khi bạn sạc pin, các ion di chuyển từ bên này sang bên kia của bộ phân tách. Khi bạn xả pin, điều ngược lại sẽ xảy ra. Sự chuyển động của các ion tích trữ điện về mặt hóa học hoặc biến năng lượng hóa học đã lưu trữ đó trở lại thành dòng điện.

Tụ điện so với Siêu tụ điện

Siêu tụ điện còn được gọi là  siêu tụ điện  hoặc  tụ điện hai lớp . Sự khác biệt chính giữa siêu tụ điện và tụ điện thông thường là điện dung. Điều đó chỉ có nghĩa là siêu tụ điện có thể lưu trữ một điện trường lớn hơn nhiều so với tụ điện thông thường.

Trong sơ đồ này, bạn có thể thấy một sự khác biệt lớn khác khi nói đến siêu tụ điện. Giống như pin (và không giống như tụ điện truyền thống), siêu tụ điện có chất điện phân. Điều này có nghĩa là nó sử dụng cả nguyên lý lưu trữ tĩnh điện và điện hóa để giữ điện tích.

Đây là sự đơn giản hóa quá mức và các khía cạnh kỹ thuật thực sự của điều này sẽ mất nhiều thời gian hơn để giải thích. Điều quan trọng nhất cần biết về siêu tụ điện là chúng cung cấp các đặc điểm chung giống như tụ điện, nhưng có thể cung cấp năng lượng lưu trữ và phân phối năng lượng gấp nhiều lần so với thiết kế cổ điển.

Ưu và nhược điểm của siêu tụ điện

Các siêu tụ điện mang lại nhiều ưu điểm hơn, chẳng hạn như pin lithium-ion. Siêu tụ điện có thể sạc nhanh hơn nhiều so với pin. Quá trình điện hóa tạo ra nhiệt và do đó, quá trình sạc phải diễn ra ở tốc độ an toàn để ngăn chặn sự cố hỏng pin nghiêm trọng. Siêu tụ điện cũng có thể cung cấp năng lượng dự trữ nhanh hơn nhiều so với pin điện hóa, vì lý do tương tự. Nếu pin phóng điện quá nhanh, nó cũng có thể dẫn đến hỏng hóc nghiêm trọng.

Hạn chế lớn nhất so với pin lithium-ion là siêu tụ điện không thể xả năng lượng tích trữ chậm như pin lithium-ion, điều này khiến nó không phù hợp với các ứng dụng mà thiết bị phải hoạt động trong thời gian dài mà không được sạc.

Vì vậy, như mọi thứ vẫn còn ở thời điểm viết bài, siêu tụ điện không phải là sự thay thế thay thế cho pin lithium-ion hoặc các công nghệ pin khác, nhưng ngày càng có nhiều công việc mà siêu tụ điện là lựa chọn hoàn hảo.

Sản phẩm siêu tụ điện

Bạn có thể đã sử dụng các sản phẩm có chứa siêu tụ điện và thậm chí không biết điều đó. Những siêu tụ điện đầu tiên được tạo ra vào những năm 1950 bởi một kỹ sư của General Electric tên là Howard Becker. Năm 1978, NEC đặt ra cái tên “siêu tụ điện” và sử dụng thiết bị này như một dạng nguồn điện dự phòng cho bộ nhớ máy tính.

Ngày nay, bạn sẽ tìm thấy chúng trong máy tính xách tay , thiết bị GPS, máy tính cầm tay, đèn flash máy ảnh và nhiều thiết bị điện tử khác. Coleman FlashCell  sử dụng siêu tụ điện thay vì pin. Điều này có nghĩa là nó chạy lâu bằng một nửa so với một mô hình chạy bằng pin truyền thống, nhưng sạc đầy trong 90 giây thay vì hàng giờ.

Tương tự, S-Pen trên Samsung Galaxy Note 9 đã sử dụng siêu tụ điện để cung cấp năng lượng cho các chức năng không dây của bút cảm ứng. Nguồn sẽ hết sau vài phút sử dụng nhiều hoặc sau 30 giây chờ, nhưng chỉ mất 40 giây để làm đầy lại.

Siêu tụ điện cũng đang tìm thấy ngôi nhà chung trong thế giới xe hybrid và xe điện . Chúng hoàn hảo để bắt và giải phóng sức mạnh từ phanh tái tạo, đây là tải trọng động trong thời gian ngắn. Các phương tiện như xe buýt vận tải công cộng hoặc xe điện cũng thích hợp cho siêu tụ điện. Họ chỉ cần đủ năng lượng để đến điểm dừng tiếp theo, nơi họ sẽ sạc lại sau vài giây hoặc vài phút. Vì các siêu tụ điện không thực sự bị hao mòn, nên chu kỳ giao thông công cộng cố định này có ý nghĩa rất lớn đối với công nghệ.

Siêu tụ điện có phải là tương lai của dự trữ năng lượng?

Với cách nghiên cứu về siêu tụ điện đang diễn ra, có vẻ như một ngày nào đó chúng ta sẽ có pin siêu tụ điện. Đây sẽ là những thiết bị có độ bền và tốc độ của siêu tụ điện, nhưng với mật độ năng lượng và thời gian hoạt động dài của pin. Năm 2016, các nhà khoa học từ Đại học Trung tâm Florida đã tạo ra một nguyên mẫu  siêu tụ điện linh hoạt với mật độ năng lượng cao hơn các siêu tụ điện hiện tại và chu kỳ điện tích 30.000 không bị suy giảm.

Các vật liệu mới ở kích thước nano và các thí nghiệm với graphene đều hướng tới khả năng có thể có siêu tụ điện với mật độ năng lượng cao hơn nhiều. Ngay cả khi chúng không bao giờ phù hợp với pin lithium-ion, một lượng sạc có thể sử dụng, cùng với thời gian sạc lại nhanh chóng có thể đặt chúng ở những vị trí mà pin hiện có vai trò.

Một lần nữa, có những công nghệ khác cạnh tranh với siêu tụ điện. Quan trọng nhất trong số đó là pin thể rắn huyền thoại và pin lithium-ion truyền thống được truyền graphene gần đây cũng cho thấy nhiều hứa hẹn. Cho dù công nghệ sạc nhanh , bền, tiết kiệm năng lượng nào chiến thắng trong cuộc đua, tất cả chúng ta sẽ là người chiến thắng.