Nếu đã từng tò mò tháo những thiết bị điện tử hoặc có kiến thức về điện tử thì chắc chắn bạn đã biết đến tụ điện. Cũng giống như pin, tụ điện có khả năng lưu trữ được điện năng và đóng nhiều vai trò quan trọng trong nhiều thiết bị điện. Trong khuôn khổ bài viết này thì tôi sẽ chỉ tập trung vào khả năng lưu trữ điện năng của tụ, cùng phân tích xem nó khác gì với pin và có khả năng thay thế pin sạc Lithium trong tương lai hay không.
1. Nguyên lý hoạt động của tụ điện và pin Lithium
Tụ điện và pin đều có khả năng lưu trữ điện nhưng nguyên lý của chúng lại hoàn toàn khác nhau, từ đó sinh ra ưu và nhược điểm của từng loại.
Pin Lithium
Tôi lấy pin sạc Lithium làm đại diện chung cho pin bởi đây được coi là tương lai của pin rồi.
Nếu bạn đang có bất kì thiết bị nào sử dụng pin sạc thì 99% là nó dùng công nghệ pin Lithium. Pin sạc Lithium có thể ở nhiều dạng nhưng nhìn chung là cùng 1 nguyên lý hoạt động.
Pin tích trữ và giải phóng điện thông qua phản ứng hóa học bên trong nó. Trong mỗi viên pin sẽ có cực dương (anode), cực âm (cathode) và một loại dung môi để giúp các Ions mang điện tích dương có thể di chuyển ở bên trong viên pin.
Hiểu đơn giản là cực âm của viên pin sẽ tích trữ các electron còn ở cực dương sẽ có các lỗ trống. Các electron này sẽ đi từ cực âm, qua thiết bị điện rồi qua cực dương, quá trình này tạo ra dòng điện. Còn sạc điện là quá trình đẩy các electron từ cực dương về lại cực âm để quá trình xả có thể được bắt đầu lại.
Nguyên lý hoạt động chung của mọi loại pin là như vậy. Còn Lithium-ion là một công nghệ pin với các thành phần cấu tạo bao gồm 2 kim loại là Lithium và graphene. Do tính chất đặc biệt của 2 kim loại này mà pin Lithium-ion có hiệu năng vượt trội so với các loại pin dùng chất khác.
Dung lượng của pin đo bằng mAh (mili Ampe/giờ)
Tụ điện
Tụ cũng có chức năng tích trữ điện năng nhưng khác hẳn với pin ở chỗ nó không dùng phản ứng hóa học mà theo nguyên lý tĩnh điện.
Cấu tạo của tụ điện bao gồm 2 bản cực dẫn điện đặt song song với nhau, được ngăn cách bởi 1 chất cách điện ở giữa. Khi được nạp điện thì 2 bản cực sẽ tích trữ điện tích dương và âm và khi cần thì sẽ xả ra.
Có nhiều loại tụ điện và thông số liên quan nhưng tôi sẽ không đi sâu vào bởi đọc cũng chả hiểu gì mấy 🙂
Dung lượng (điện dung của tụ điện) đo bằng Fara (F).
2. Ưu và nhược điểm của pin Lithium (so với tụ điện)
Ưu điểm
- Khả năng tích trữ điện năng lớn để sử dụng về sau
Nhược điểm
- Tuổi thọ thấp, đối với pin Lithium thì là từ 2-5 năm bởi quá trình phản ứng hóa học trong viên pin sẽ dần bị kém đi. Pin Lithium thì bạn không dùng đến nó cũng sẽ tự hỏng theo thời gian.
- Tự xả theo thời gian: một viên pin lithium sẽ xả gần hết dung lượng của nó sạc 1 thời gian nhất định khoảng từ 1-2 năm dù bạn có dùng hay không.
- Dòng sạc và xả thấp nếu so với tụ điện.
3. Ưu và nhược điểm của tụ điện (so với pin Lithium)
Ưu điểm
- Tụ điện không sản sinh ra dòng điện thông qua phản ứng hóa học nên tuổi thọ của nó rất dài, tối thiểu là 20 năm và có thể hơn với công nghệ bây giờ
- Tốc độ sạc và xả cực kì nhanh, nhấn mạnh là cực kì nhanh nếu so với pin Lithium. Một tụ điện có thể sạc đầy và xả hết sạch điện với tốc độ tính bằng giây, thậm chí nhanh hơn
- Có thể xả về 0 volt thoải mái trong khi pin Lithium xả về 0 volt là coi như chết luôn.
Nhược điểm
- Mật độ năng lượng tích trữ được là rất thấp nếu so với pin. Cứ hình dung 1 viên pin như 1 bể chứa 1000 lít nước và cho tốc độ chảy là 10 lít nước/giờ và chảy được rất lâu. Còn 1 cái tụ có thể xả ào 10 lít nước chỉ trong 1 giây nhưng sau 1-2s là nó đã hết sạch nước rồi.
Đó là các loại tụ truyền thống có mật độ tích trữ năng lượng thấp. Để giải quyết việc này thì các nhà khoa học đã sáng chế ra siêu tụ.
Siêu tụ có dung lượng gấp cả nghìn – chục nghìn lần các loại tụ truyền thống nhờ cấu tạo đặc biệt. Siêu tụ đã góp phần tạo nên những thiết bị điện tử nhanh và mạnh mẽ hơn xưa.
4. Nhưng cuối cùng siêu tụ có thay thế được pin Lithium không?
Xét về vai trò lưu trữ điện năng thì câu trả lời ngắn gọn là: Không!
Dù vượt trội so với tụ truyền thống nhưng siêu tụ vẫn còn thua pin quá xa về mật độ tích trữ điện năng. Như pin sạc Lithium Ion có hiệu suất lưu trữ điện là 250wh/kg trong khi con số này ở siêu tụ chỉ là 20. Dễ hình dung thì để chứa được lượng điện năng của 1 viên pin sạc 18650 dung lượng 3500mAh thì cái siêu tụ có thể phải to ngang chai nước khoáng. Đấy là tôi lấy ví dụ thế để cho thấy sự chênh lệch về khả năng lưu trữ điện của pin và tụ.
Rõ ràng là pin và tụ điện tuy đều có khả năng tích trữ điện năng nhưng chúng lại được tạo ra cho 2 mục đích khác nhau. Pin thì có khả năng tích trữ điện năng lớn nên được dùng để dự trữ điện. Tụ thì có khả năng sạc và xả điện cực nhanh nên dùng cho các ứng dụng cần 1 lượng điện cực lớn trong 1 thời gian ngắn.
Tuy không thay thế được cho nhau nhưng pin và tụ điện lại hoàn toàn có thể kết hợp lại để bù trừ cho những khuyết điểm của nhau.
Các thiết bị điện công suất cao khi khởi động đều cần 1 dòng xả rất lớn trong khi dòng xả cao lại chính là kẻ thù kiến pin giảm tuổi thọ. Việc mắc song song pin và siêu tụ sẽ giải quyết vấn đề này. Tụ điện sẽ đảm nhiệm việc cung cấp dòng xả lớn trong thời gian đầu để giảm gánh nặng cho pin, từ đó tăng tuổi thọ đáng kể. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng phương pháp này có thể tăng gấp 4 lần tuổi thọ cho pin.
Ứng dụng trên có thể được áp dụng trong các loại phương tiện chạy bằng điện.
Và trang bị trên các mẫu xe hơi hybrib. Các loại xe này sẽ được trang bị siêu tụ. Siêu tụ sẽ được sạc đầy trong quá trình xe hoạt động. Chiếc xe sẽ được trang bị 1 động cơ điện bên cạnh động cơ nhiên liệu truyền thống và khi cần tăng tốc thì động sẽ sử dụng chính động cơ điện này và lượng điện tích được trong siêu tụ. Quá trình này cứ diễn ra liên tục giúp tiết kiệm đáng kể nhiên liệu cho xe mà lại tăng được hiệu suất.
Concept về một chiếc xe máy hybrid kết hợp giữa pin và siêu tụ. Siêu tụ sẽ được sạc đầy mỗi khi xe phanh và điện này được sử dụng để giúp xe tăng tốc.
Hoặc một ý tưởng khác là các loại phương tiện công cộng được trang bị siêu tụ. Mỗi lần dừng lại các trạm để đón/trả khách thì xe cũng được sạc đầy luôn, việc đó sẽ giúp xe hoạt động liên tục mà không bị ngắt quãng do thời gian sạc lâu như khi sử dụng bằng pin mà vẫn bảo vệ môi trường do không dùng nhiên liệu truyền thống.
