Ngày nay, lưu trữ năng lượng đang được quan tâm đặc biệt, nhất là bối cảnh thế giới đang trong quá trình chuyển đổi từ các nguồn năng lượng hóa thạch sang các nguồn năng lượng tái tạo. Trong đó, các linh kiện thụ động như siêu tụ điện và tụ điện siêu cấp là hai linh kiện đang được tập trung phát triển mạnh mẽ nhất. Đây được xem là một giải pháp hứa hẹn nhằm bổ sung cho các loại pin truyền thống để tăng khả năng lưu trữ, tuổi thọ và hiệu suất. Bài viết này phân tích những tiến bộ của tụ điện trong việc phát triển hệ thống lưu trữ năng lượng.

Định nghĩa về siêu tụ điện và tụ điện siêu cấp

‍Siêu tụ điện và tụ điện siêu cấp là các linh kiện lưu trữ năng lượng điện hóa, có khả năng tích trữ năng lượng dưới dạng điện trường tĩnh giữa các bản cực.

Trong khi các loại pin truyền thống lưu trữ năng lượng dựa vào phản ứng hóa học thì các loại siêu tụ điện này lưu trữ năng lượng thông qua sự tích tụ điện tích tại bề mặt các điện cực. Do vậy, một siêu tụ điện tiêu chuẩn thường có mật độ năng lượng thấp hơn nhưng nó lại vượt trội về mật độ công suất và tuổi thọ so với pin lithium-ion. Bên cạnh siêu tụ điện, tụ siêu cấp là một nhánh phát triển mới của siêu tụ điện nhờ sự cải tiến trong cấu trúc vật liệu, nên khả năng lưu trữ năng lượng sẽ cao hơn.

Ưu điểm của siêu tụ điện và tụ điện siêu cấp

Nhờ vào hiệu suất vượt trội, tuổi thọ cao và ít bị tác động bởi các yếu tố bên ngoài, các loại siêu tụ điện ngày nay đang được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực lưu trữ năng lượng. Trong đó, hiệu suất hoạt động cao thể hiện thông qua việc chúng có khả năng sạc/xả cực kỳ nhanh chóng trong một vài giây. Điều này có ý nghĩa vô cùng lớn với các ứng dụng cần cung cấp năng lượng tức thời như xe điện hay các loại phanh năng lượng. Về mặt tuổi thọ, trong khi pin lithium-ion chỉ có vài nghìn chu kỳ sạc xả thì đối với siêu tụ điện con số này đã lên tới hàng triệu chu kỳ. Điều này góp phần giảm chi phí vận hành cho hệ thống lưu trữ, đồng thời cũng giảm lượng rác thải điện tử do các siêu tụ điện hết công dụng thải ra. Cuối cùng, do các siêu tụ điện được thiết kế để hoạt động hiệu quả trong khoảng nhiệt độ từ -40°C đến 70°C nên chúng ít bị ảnh hưởng khi hoạt động trong các điều kiện môi trường khắc nghiệt. Tuy nhiên trong thực tế, mật độ năng lượng của siêu tụ điện vẫn là một hạn chế lớn và thấp hơn đáng kể so với pin lithium-ion, nên chúng chưa thể thay thế hoàn toàn vai trò của pin trong các ứng dụng yêu cầu lưu trữ năng lượng lâu dài.

Sự phát triển của công nghệ tụ điện

So với thời kỳ đầu, các loại tụ điện ngày nay đã phát triển khá nhanh về mặt hiệu suất nhờ vào những tiến bộ khoa học kỹ thuật, đặc biệt là các loại vật liệu mới. Trong đó, graphene là một trong những vật liệu được ứng dụng nhiều nhất nhờ cấu trúc siêu mỏng, siêu bền và có tính dẫn điện vô cùng tốt. Bên cạnh đó, nhờ có diện tích bề mặt lớn và khả năng dẫn điện cao, graphene còn giúp tăng cường khả năng lưu trữ năng lượng của tụ điện một cách đáng kể. Ngoài graphene, một số vật liệu nano khác cũng đang được nghiên cứu và phát triển rộng rãi như nano carbon hay oxit kim loại nhằm nâng cao mật độ năng lượng, cải thiện độ bền cơ học và tăng khả năng hoạt động trong điều kiện khắc nghiệt. 

Hiện nay, một số đơn vị nghiên cứu đang kết hợp siêu tụ điện và pin truyền thống để tạo ra các hệ thống lai, giúp mang lại hiệu suất cao hơn và giảm thiểu các nhược điểm đơn lẻ của từng loại hình công nghệ. Một ví dụ điển hình là trong xe điện, siêu tụ điện đảm nhận vai trò cung cấp năng lượng tức thời còn pin truyền thống sẽ đảm lưu trữ năng lượng lâu dài cho xe.

Ứng dụng của siêu tụ điện và tụ điện siêu cấp trong thực tế

Hiện nay, công nghệ siêu tụ điện và tụ điện siêu cấp đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như ô tô, năng lượng hay trong các thiết bị điện tử. Đối với ngành công nghiệp ô tô, các loại siêu tụ điện được sử dụng trong hệ thống phanh tái tạo năng lượng và hệ thống khởi động động cơ nhằm giúp tăng hiệu suất và giảm tiêu thụ năng lượng. Tesla và một số hãng xe khác đã bắt đầu tích hợp công nghệ này vào các mẫu xe điện của mình. Trong lĩnh vực năng lượng tái tạo, siêu tụ điện được sử dụng để lưu trữ năng lượng từ các nguồn không ổn định như năng lượng mặt trời và gió, do chúng có phản ứng nhanh với sự thay đổi của nguồn cung và đảm bảo sự ổn định trong việc cung cấp năng lượng cho lưới điện. Ngoài ra, siêu tụ điện còn được ứng dụng trong các thiết bị điện tử tiêu dùng như camera, loa di động hay các thiết bị IoT nhờ khả năng sạc nhanh và tuổi thọ cao để mang lại trải nghiệm sử dụng thuận tiện và bền vững hơn cho người dùng.

Thách thức và triển vọng của siêu tụ điện

Bên cạnh các lợi ích vượt trội, siêu tụ điện vẫn còn một hạn chế chưa được khắc phục đó là mật độ năng lượng chưa thể ngang bằng với pin lithium-ion, nên chúng không phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu dung lượng lưu trữ lớn. Cùng với đó, việc sản xuất siêu tụ điện yêu cầu các loại vật liệu tiên tiến nên giá thành hiện tại của chúng khá cao. Tuy nhiên, với những tiến bộ không ngừng trong công nghệ vật liệu và thiết kế, thì việc tạo ra một siêu tụ điện có hiệu năng cao hơn chỉ còn là vấn đề thời gian. Trong tương lai, việc kết hợp giữa siêu tụ điện và các nguồn năng lượng tái tạo cùng các công nghệ lưu trữ khác sẽ tạo ra một hệ sinh thái năng lượng sạch và bền vững. Điều này không chỉ góp phần giảm thiểu biến đổi khí hậu mà còn nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng trong mọi lĩnh vực của đời sống con người.