Siêu tụ điện (Supercapacitor) đang ngày càng thu hút sự quan tâm trong lĩnh vực lưu trữ năng lượng nhờ khả năng sạc/xả nhanh, độ bền cao và hiệu suất hoạt động ổn định. Vậy siêu tụ điện là gì, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của nó ra sao? Bài viết này sẽ cung cấp cái nhìn tổng quan và chính xác nhất về siêu tụ điện, cùng với những ứng dụng nổi bật trong các ngành công nghiệp hiện đại như điện tử, ô tô, năng lượng tái tạo, IoT, logistic và quân sự. Hãy cùng tìm hiểu ngay sau đây!

Định nghĩa về siêu tụ điện

Siêu tụ điện (Tiếng Anh: supercapacitor, ultracapacitor) , là một loại thiết bị lưu trữ năng lượng điện có điện dung cao hơn các loại tụ điện thông thường, có khả năng tích trữ và phóng điện rất nhanh.

Siêu tụ điện có ba loại chính dựa trên cách chúng lưu trữ năng lượng:

1. Siêu tụ điện tĩnh điện lớp kép (Electric Double-Layer Capacitor - EDLC):
   Siêu tụ điện tĩnh điện lớp kép (EDLC -  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.
2. Siêu tụ điện hai lớp (EDLC) là một loại tụ điện đặc biệt có khả năng lưu trữ năng lượng lớn hơn nhiều so với tụ điện thông thường. Chúng được cấu tạo từ hai điện cực làm bằng vật liệu carbon, dung dịch điện phân và một lớp màng ngăn giữa hai cực Khi có dòng điện đi qua, các ion trong dung dịch sẽ di chuyển đến điện cực mang điện tích trái dấu. Các ion này tạo ra hai lớp điện tích ở hai đầu của tụ, gọi là "lớp kép điện". Nhờ khoảng cách giữa hai lớp điện tích này cực kỳ nhỏ (chỉ khoảng 0,1 nm), siêu tụ có thể đạt được điện dung rất cao – tức là khả năng lưu trữ nhiều năng lượng hơn.(Tham khảo)

3. Siêu tụ điện giả điện dung hóa (Electrochemical pseudocapacitors)
   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.
   
   
4. Tụ lai (Hybrid Capacitor):
   Loại này kết hợp các đặc điểm của EDLC và pseudocapacitor để hoạt động tốt hơn. Thiết kế thông thường kết hợp một điện cực carbon với một điện cực oxit kim loại. Sự kết hợp này mang lại mật độ năng lượng, mật độ công suất và tuổi thọ tốt hơn cả hai loại riêng lẻ. Những tiến bộ gần đây đã giúp tụ lai vượt qua cả EDLC và pseudocapacitor về khả năng lưu trữ điện tích, đồng thời duy trì tuổi thọ chu kỳ cao và chi phí hợp lý.
5. Tụ lai là loại siêu tụ điện được thiết kế để kết hợp ưu điểm của hai công nghệ: tụ điện lớp kép (EDLC) và tụ điện giả (pseudocapacitor). Thông thường, loại tụ này sử dụng một điện cực làm từ carbon (giống như EDLC) và một điện cực làm từ oxit kim loại hoặc vật liệu có tính hoạt động cao (giống như pseudocapacitor).Nhờ sự kết hợp này, tụ lai có thể đạt được hiệu suất vượt trội: mật độ năng lượng cao hơn (tức là lưu trữ được nhiều năng lượng hơn), mật độ công suất tốt (xả năng lượng nhanh) và vẫn duy trì được tuổi thọ chu kỳ dài – tức là có thể sạc/xả nhiều lần mà không bị giảm hiệu suất đáng kể.(Tham khảo)

Bảng so sánh các loại siêu tụ điện:

Lịch sử phát triển của siêu tụ điện

Câu chuyện của siêu tụ điện bắt nguồn từ năm 1853 khi Helmholtz lần đầu tiên khám phá cách tụ điện lưu trữ điện tích và đề xuất mô hình lớp điện kép. Kỹ sư H.Becker tại General Electric đã nộp bằng sáng chế năm 1957 về một loại “tụ điện điện hóa” (electrolytic capacitor), trong đó mô tả cấu trúc giống siêu tụ điện ngày nay. Họ phát hiện ra hiệu ứng tụ điện hai lớp khi thử nghiệm các thiết bị với điện cực cacbon xốp

Siêu tụ điện được thương mại hóa đầu tiên năm 1970 với tên gọi "tụ điện dùng than hoạt tính". Loại này sử dụng nguyên lý Electric Double Layer (EDLC) với vật liệu carbon.

Từ đó đến nay, siêu tụ điện luôn được phát triển và cải tiến, đặc biệt bùng nổ từ những năm 2000 với các ứng dụng rộng rãi trong: ô tô hybrid, xe điện, thiết bị năng lượng tái tạo, thiết bị điện tử tiêu dùng, IoT, UPS. Các viện nghiên cứu và công ty tiêu biểu như VINATech, Maxwell (Tesla), Skeleton Technologies… đã ứng dụng graphene, vật liệu nano xốp, carbon aerogel để tăng mật độ năng lượng, kéo dài tuổi thọ và tăng hiệu suất.

Cấu tạo của Siêu tụ điện

Một siêu tụ điện có sáu thành phần chính: 

•       Điện cực: Lá kim loại được phủ bởi carbon hoạt tính hoặc các vật liệu xốp khác với diện tích bề mặt lớn giúp tăng khả năng tích điện.. Các phiên bản hiện đại có thể sử dụng các vật liệu tiên tiến như ống nano carbon hoặc graphene.
  
•       Chất điện phân: Dung dịch điện phân chứa các ion âm và dương, giúp dẫn điện giữa hai điện cực.
•       Màng ngăn: Là lớp vật liệu siêu mỏng, cách điện, đặt giữa hai điện cực, cho phép ion đi qua, nhưng ngăn electron để tránh đoản mạch.
•       Vỏ bảo vệ: Là lớp vỏ cách điện, chống rò rỉ và bảo vệ siêu tụ khỏi môi trường bên ngoài. Có thể làm bằng nhôm, thép không gỉ hoặc nhựa công nghiệp.
•       Cao su (Rubber): chống tràn dung dịch và cố định terminal.
•       Dây dẫn hoặc cực nối:  Kết nối các điện cực với mạch ngoài, đảm bảo dòng điện đi ra vào hiệu quả. Thường làm bằng nhôm hoặc đồng, phủ thêm lớp dẫn điện.

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.

Nguyên lý hoạt động của siêu tụ điện

Siêu tụ điện (Supercapacitor hoặc Electric Double-Layer Capacitor - EDLC) hoạt động dựa trên nguyên lý hấp phụ và nhả hấp phụ ion tại bề mặt điện cực, thay vì xảy ra phản ứng hóa học như ở pin thông thường.

Khi có điện áp đặt vào hai cực của siêu tụ:

•       Các ion trong chất điện phân sẽ di chuyển đến bề mặt của hai điện cực – ion dương (Cathode) đến điện cực âm và ion âm (Anode) đến điện cực dương.
  
•       Tại mỗi bề mặt điện cực, sẽ hình thành một lớp tích điện đối diện với lớp ion mang điện trái dấu từ chất điện phân – tạo nên hai lớp tích điện điện·mỏng, cách nhau bởi một lớp phân tử – gọi là "điện dung hai lớp".
  
•        Không có phản ứng hóa học xảy ra, quá trình sạc/xả hoàn toàn là vật lý nên có thể thực hiện cực nhanh, và lặp lại hàng triệu lần mà không làm suy giảm hiệu suất. 

 Chính nhờ cấu trúc này, siêu tụ có thể:

•       Sạc đầy chỉ trong vài giây đến vài phút
•       Xả năng lượng nhanh khi cần công suất lớn
•       Đạt tuổi thọ lên đến hàng triệu chu kỳ, vượt xa pin truyền thống
•       An toàn hơn, không dễ bị cháy nổ do không xảy ra phản ứng hóa học phức tạp
  

Để tăng hiệu suất, các vật liệu điện cực thường được sử dụng là carbon hoạt tính, graphene hoặc carbon aerogel – với bề mặt siêu lớn, giúp tăng khả năng tích điện đáng kể.

Siêu tụ điện so với Pin: So sánh các công nghệ lưu trữ năng lượng 

Khi so sánh về khả năng lưu trữ năng lượng, pin thường chiếm ưu thế với mật độ năng lượng cao, còn tụ điện truyền thống sẽ thể hiện sự vượt trội về mật độ công suất và tốc độ sạc/xả. Siêu tụ điện chính là sự kết hợp những ưu điểm của cả hai. Siêu tụ điện có mật độ năng lượng lớn hơn tụ điện truyền thống,  mật độ công suất cao, và tốc độ sạc/xả nhanh chóng chỉ tính theo giây.Nhờ những đặc tính này, siêu tụ trở thành giải pháp lý tưởng cho các ứng dụng đòi hỏi nguồn năng lượng lớn trong thời gian ngắn. Dưới đây là bảng so sánh giữa siêu tụ điện và pin lithium:

Hiện nay, các kỹ sư ngày càng có xu hướng tích hợp đồng thời cả hai công nghệ lưu trữ năng lượng: pin và siêu tụ điện. Pin được sử dụng để cung cấp nguồn năng lượng ổn định trong thời gian dài, trong khi siêu tụ điện đảm nhận vai trò xử lý các xung tải hoặc đỉnh công suất tức thời. Sự kết hợp linh hoạt và thông minh này cho phép tối ưu hiệu suất vận hành, đồng thời khai thác tối đa ưu điểm và khắc phục hạn chế của từng công nghệ.

Ứng dụng của siêu tụ điện vào thực tế

Với khả năng sạc/xả cực nhanh, mật độ công suất cao và tuổi thọ hàng triệu chu kỳ, siêu tụ điện đang ngày càng chứng minh vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp hiện đại. Không chỉ xuất hiện trong các thiết bị điện tử nhỏ gọn, công nghệ siêu tụ còn đang được ứng dụng ngày càng rộng rãi trong các hệ thống quy mô lớn – từ giao thông thông minh đến lưu trữ năng lượng tái tạo.

Một số lĩnh vực ứng dụng tiêu biểu có thể kể đến:

•       Giao thông vận tải: Siêu tụ được sử dụng trong hệ thống phanh tái tạo, xe bus hybrid, xe điện khởi động nhanh, và hỗ trợ khởi động động cơ diesel – giúp tiết kiệm năng lượng và kéo dài tuổi thọ hệ thống.
•       Lưu trữ năng lượng tái tạo: Trong các hệ thống điện mặt trời hoặc điện gió, siêu tụ giúp điều hòa điện áp, lưu trữ năng lượng tức thời và giảm thiểu dao động, từ đó đảm bảo nguồn cung ổn định và hiệu quả hơn.
  
•       Thiết bị điện tử dân dụng & IoT: Từ đồng hồ thông minh, cảm biến không dây cho đến thiết bị cầm tay, siêu tụ cung cấp nguồn dự phòng ổn định và thời gian phản hồi nhanh, đặc biệt phù hợp với các thiết bị cần năng lượng tức thời.
•     Các lĩnh vực khác: Siêu tụ cũng đang được tích hợp trong hệ thống UPS, thiết bị y tế, robot công nghiệp và các giải pháp năng lượng linh hoạt khác – nơi đòi hỏi độ tin cậy và hiệu suất cao trong thời gian dài.

Nhờ khả năng thích ứng đa dạng và tính năng vượt trội, siêu tụ điện đang trở thành một thành phần không thể thiếu trong các hệ thống điện tử và năng lượng hiện đại.

Kết luận

Siêu tụ điện là giải pháp lưu trữ năng lượng lý tưởng, nằm giữa tụ điện truyền thống và pin, với ưu điểm vượt trội về mật độ công suất, tuổi thọ chu kỳ và khả năng sạc-xả nhanh. Dù mật độ năng lượng vẫn là thách thức, các hướng nghiên cứu như điện cực graphene, chất điện phân cải tiến hay hệ thống lai với pin đang mở ra tương lai mới cho công nghệ này.

Tại VINATech, chúng tôi không ngừng đầu tư vào phát triển vật liệu và công nghệ lõi cho siêu tụ điện – đặc biệt trong các dòng sản phẩm Hycap – nhằm nâng cao mật độ năng lượng, kéo dài tuổi thọ và mở rộng phạm vi ứng dụng công nghiệp. Chúng tôi tin rằng siêu tụ sẽ là hạt nhân trong những hệ thống năng lượng hiệu quả, bền vững và linh hoạt của kỷ nguyên công nghiệp mới.