Tụ điện có một số đặc tính tuyệt vời. Thứ nhất, chúng lưu trữ năng lượng dưới dạng điện tích chứ không phải năng lượng hóa học. Điều này thường cho phép thời gian sạc gần như tức thì và dòng điện đầu ra cực đại rất cao. Chúng có thể chịu được hàng trăm nghìn chu kỳ sạc-xả, thay vì chỉ hàng trăm chu kỳ như pin đã qua sử dụng. Vậy vấn đề là gì?
Pin cung cấp điện áp khá ổn định trong suốt thời gian sử dụng lâu dài. Tùy thuộc vào thiết bị, bạn có thể gặp vấn đề về hiệu năng khi pin gần cạn. Ví dụ, điện thoại thông minh sẽ chuyển sang chế độ tiết kiệm năng lượng. Điều này không chỉ giúp chúng hoạt động lâu hơn một chút mà còn ngăn ngừa việc tắt máy đột ngột mà không có cảnh báo.
Như bạn thấy, điện áp giảm khi pin gần hết. Trong điện thoại của bạn, có một mạch chuyển đổi năng lượng, một phần của hệ thống quản lý năng lượng tổng thể, hoạt động để chuyển đổi nguồn điện pin không ổn định lắm thành nguồn điện hệ thống được điều chỉnh rất chặt chẽ (có thể là nhiều mức điện áp khác nhau). Lưu ý rằng có một mối quan hệ quan trọng ở đây: công suất = dòng điện * điện áp. Vì vậy, để duy trì cùng một công suất, khi điện áp giảm, mạch của tôi phải tiêu thụ nhiều dòng điện hơn.
Mỗi cục pin đều có một điện trở trong nhỏ, và do một mối quan hệ khác gọi là định luật Ohm, bạn biết rằng sẽ có một số điện áp bị sụt trong pin. Trong hình vẽ, Vout = V0 − r ∗ I, trong đó I là dòng điện. Do đó, khi V0 giảm và mạch quản lý nguồn phải tiêu thụ nhiều dòng điện hơn để cung cấp cùng một công suất, điện áp đầu ra của pin sẽ giảm nhanh hơn nữa. Điều này giới hạn dòng điện đầu ra tối đa của pin, và nó cũng có nghĩa là chúng sẽ nhanh chóng hết điện khi gần cạn kiệt.
Tuy nhiên, điện áp đầu ra, dòng điện cực đại và tổng công suất trong tụ điện giảm theo cấp số mũ theo thời gian. Tụ điện có một ưu điểm: nó lưu trữ điện tích, chứ không phải chuyển đổi điện tích thành điện tích hóa học như trong pin, vì vậy mặc dù có điện trở trong, nhưng nó rất nhỏ và thường có thể bỏ qua. Tụ điện có thể cung cấp dòng điện rất, rất cao trong thời gian ngắn.
Nhưng để cấp nguồn cho một thiết bị, chúng lại gây ra vấn đề. Hãy nhớ lại mong muốn duy trì nguồn điện ổn định cho hệ thống quản lý năng lượng của tôi, và công thức là công suất = dòng điện * điện áp. Khi điện áp giảm nhanh, chúng ta phải bù lại bằng cách tăng nhanh dòng điện để cung cấp cùng một công suất. Dòng điện rất cao sẽ làm cho mạch điện đắt hơn nhiều, các linh kiện chuyển đổi điện năng lớn hơn, tổn thất điện năng trên bảng mạch nhiều hơn, v.v… cùng một vấn đề cơ bản mà pin gặp phải gần cuối vòng đời, chỉ khác là điều này bắt đầu xảy ra rất sớm trong quá trình lưu trữ năng lượng hữu ích của tụ điện. Và khi tụ điện cạn kiệt, dòng điện đỉnh, mặc dù vẫn tương đối cao, cũng giảm xuống.
Vấn đề khác là các siêu tụ điện hiện đại có năng lượng riêng thấp hơn nhiều so với pin. Các siêu tụ điện tốt nhất trên thị trường đạt được 8-10 Wh/kg, hầu hết chỉ khoảng 5 Wh/kg. Pin Li-ion tốt nhất cung cấp gần 200 Wh/kg, nhiều loại có thể đạt trên 100 Wh/kg. Vì vậy, bạn cần trọng lượng gấp khoảng 20 lần để sử dụng siêu tụ điện. Nhưng có thể còn nhiều hơn nữa, vì tại một thời điểm nào đó trong quá trình phóng điện, tùy thuộc vào ứng dụng, điện áp sẽ giảm xuống quá thấp để có thể sử dụng được, dẫn đến năng lượng bị lãng phí. Ngoài ra, không giống như các tụ điện truyền thống, siêu tụ điện cũng có điện trở trong tương đối cao. Vì vậy, chúng không nhất thiết hỗ trợ việc chuyển đổi điện áp thành dòng điện một cách hiệu quả.
Tiếp theo là vấn đề tự phóng điện: năng lượng bị "rò rỉ" khỏi thiết bị lưu trữ nhanh như thế nào. Pin NiMh là loại pin bền bỉ, nhưng tự phóng điện lên đến 20-30% mỗi tháng. Pin Li-ion giảm thiểu điều này xuống còn khoảng <2% mỗi tháng tùy thuộc vào công nghệ Li-ion cụ thể, có thể là 3% trong một số hệ thống tùy thuộc vào chi phí giám sát pin. Siêu tụ điện hiện nay có thể giảm tới 50% dung lượng trong tháng đầu tiên. Điều này có thể không quan trọng đối với thiết bị được sạc hàng ngày, nhưng nó chắc chắn hạn chế các trường hợp sử dụng tụ điện so với pin, ít nhất là cho đến khi có những thiết kế tốt hơn được tạo ra.
Và vì bạn cần rất nhiều, chi phí hiện tại của siêu tụ điện có thể cao gấp 6-20 lần so với pin. Nếu ứng dụng của bạn cần công suất đầu ra rất nhỏ, đặc biệt là với các xung dòng điện cao trong thời gian ngắn, siêu tụ điện có thể là một lựa chọn. Nếu không, nó sẽ không thể thay thế pin trong tương lai gần.
Đối với các ứng dụng dòng điện cao như xe điện, hiện tại việc sử dụng siêu tụ điện và pin chưa thực sự hữu ích nếu chỉ xét riêng lẻ. Tuy nhiên, các hệ thống sử dụng cả siêu tụ điện và pin có thể rất hấp dẫn, vì sự khác biệt giữa chúng rất bổ sung cho nhau: khả năng truyền tải dòng điện cao và tuổi thọ dài của siêu tụ điện so với mật độ năng lượng/năng lượng riêng cao của pin. Và hiện đang có rất nhiều nghiên cứu nhằm tạo ra các siêu tụ điện và pin tốt hơn nhiều. Vì vậy, có lẽ một ngày nào đó siêu tụ điện sẽ đảm nhận nhiều chức năng tương tự như pin thông thường.
Bài viết được lấy từ: https://qr.ae/pCacU0
Thời gian đăng bài: 06/01/2026