Siêu tụ điện có thể thay thế pin trong xe điện không?

Xe điện và xe hybrid đã ăn sâu vào tâm trí người lái xe hiện đại như một bước ngoặt mới trong quá trình phát triển của các phương tiện giao thông. So với các mẫu xe được trang bị ICE, các loại xe này có những ưu nhược điểm riêng.

Những ưu điểm luôn bao gồm vận hành êm ái, cũng như không gây ô nhiễm trong quá trình di chuyển (mặc dù ngày nay việc chế tạo một pin cho xe điện gây ô nhiễm môi trường hơn 30 năm hoạt động của một động cơ diesel).

Nhược điểm chính của xe điện là cần phải sạc pin. Liên quan đến vấn đề này, các nhà sản xuất xe hơi hàng đầu đang phát triển các tùy chọn khác nhau để làm thế nào để tăng tuổi thọ pin và tăng khoảng thời gian giữa các lần sạc. Một trong những lựa chọn này là sử dụng siêu tụ điện.

Hãy xem xét công nghệ này bằng cách sử dụng ví dụ về ngành công nghiệp xe hơi mới - Lamborghini Sian. Sự phát triển này có những thuận lợi và khó khăn gì?

Mới trên thị trường xe điện

Khi Lamborghini bắt đầu tung ra một phiên bản hybrid, bạn có thể yên tâm rằng nó sẽ không chỉ là một phiên bản mạnh mẽ hơn của Toyota Prius.

Sian, công ty điện khí đầu tiên của Ý, là chiếc xe hybrid đầu tiên được sản xuất hàng loạt (với số lượng khổng lồ 63 chiếc) sử dụng siêu tụ điện thay vì pin lithium-ion.

Nhiều nhà vật lý và kỹ sư tin rằng đây là chìa khóa của tính di động điện hàng loạt, không phải pin lithium-ion. Sian sử dụng những thứ này để lưu trữ điện và khi cần, đưa nó vào động cơ điện nhỏ của mình.

Ưu điểm của siêu tụ điện

Siêu tụ điện sạc và giải phóng năng lượng nhanh hơn nhiều so với hầu hết các loại pin hiện đại. Ngoài ra, chúng có thể chịu được chu kỳ sạc và xả nhiều hơn đáng kể mà không bị giảm dung lượng.

Trong trường hợp của Sian, siêu tụ điện truyền động một động cơ điện 25 kilowatt được tích hợp vào hộp số. Nó có thể cung cấp thêm sức mạnh cho động cơ đốt trong 6,5 lít V12 công suất 785 mã lực, hoặc tự lái chiếc xe thể thao khi di chuyển tốc độ thấp như đỗ xe.

Vì sạc rất nhanh nên chiếc hybrid này không cần cắm vào ổ cắm trên tường hoặc trạm sạc. Các siêu tụ điện được sạc đầy mỗi khi xe phanh. Pin hybrid cũng có khả năng phục hồi năng lượng phanh, nhưng nó chậm và chỉ giúp một phần kéo dài quãng đường chạy điện.

Siêu tụ điện có một con át chủ bài rất lớn khác: trọng lượng. Ở Lamborghini Sian, toàn bộ hệ thống – động cơ điện cộng với tụ điện – chỉ tăng thêm 34 kg trọng lượng. Trong trường hợp này, mức tăng công suất là 33,5 mã lực. Để so sánh, riêng khối pin của Renault Zoe (công suất 136 mã lực) đã nặng khoảng 400kg.

Nhược điểm của siêu tụ điện

Tất nhiên, siêu tụ điện cũng có nhược điểm so với pin. Theo thời gian, chúng tích lũy năng lượng tồi tệ hơn nhiều - nếu Sian không cưỡi ngựa trong một tuần, thì không còn năng lượng trong tụ điện. Nhưng cũng có những giải pháp khả thi cho vấn đề này. Lamborghini đang hợp tác với Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) để tạo ra một mẫu xe hoàn toàn chạy bằng điện dựa trên siêu tụ điện, khái niệm Terzo Millenio (Thiên niên kỷ thứ ba) nổi tiếng.

bst

Nhân tiện, Lamborghini, dưới sự bảo trợ của Tập đoàn Volkswagen, không phải là công ty duy nhất thử nghiệm trong lĩnh vực này. Các mẫu xe hybrid của Peugeot đã sử dụng siêu tụ điện trong nhiều năm, cũng như các mẫu pin nhiên liệu hydro của Toyota và Honda. Các nhà sản xuất Trung Quốc và Hàn Quốc đang lắp đặt chúng trên xe buýt và xe tải điện. Và năm ngoái, Tesla đã mua Maxwell Electronics, một trong những nhà sản xuất siêu tụ điện lớn nhất thế giới, một dấu hiệu chắc chắn rằng ít nhất Elon Musk tin tưởng vào tương lai của công nghệ.

7 sự thật chính để hiểu siêu tụ điện

1 Cách hoạt động của pin

Công nghệ pin là một trong những thứ mà chúng ta đã sử dụng từ lâu mà không cần suy nghĩ về cách thức hoạt động của nó. Hầu hết mọi người đều tưởng tượng rằng khi sạc, chúng ta chỉ việc “đổ” điện vào ắc quy, giống như nước đổ vào ly.

Nhưng pin không lưu trữ điện trực tiếp mà chỉ tạo ra điện khi cần bằng phản ứng hóa học giữa hai điện cực và chất lỏng (phổ biến nhất) ngăn cách chúng, được gọi là chất điện phân. Trong phản ứng này, các hóa chất trong nó được chuyển đổi thành những chất khác. Trong quá trình này, điện được tạo ra. Khi chúng được chuyển đổi hoàn toàn, phản ứng dừng lại - pin được xả.

Tuy nhiên, với pin sạc, phản ứng cũng có thể xảy ra theo hướng ngược lại - khi bạn sạc pin, năng lượng sẽ bắt đầu quá trình ngược lại, giúp khôi phục các chất hóa học ban đầu. Điều này có thể được lặp đi lặp lại hàng trăm hoặc hàng nghìn lần, nhưng chắc chắn sẽ có những tổn thất. Theo thời gian, các chất ký sinh tích tụ trên các điện cực, do đó tuổi thọ của pin bị hạn chế (thường là 3000 đến 5000 chu kỳ).

2 Cách hoạt động của tụ điện

Không có phản ứng hóa học nào diễn ra trong bình ngưng. Điện tích dương và điện tích âm được tạo ra độc quyền bởi tĩnh điện. Bên trong tụ điện là hai tấm kim loại dẫn điện ngăn cách nhau bằng một vật liệu cách điện gọi là chất điện môi.

Việc sạc pin cũng tương tự như việc cọ một quả bóng vào áo len để nó dính tĩnh điện. Các điện tích âm và dương tích tụ trong các tấm, và phần ngăn cách giữa chúng, ngăn chúng tiếp xúc với nhau, thực sự là một phương tiện lưu trữ năng lượng. Tụ điện có thể được sạc và xả thậm chí cả triệu lần mà không bị giảm dung lượng.

3 Siêu tụ điện là gì

Các tụ điện thông thường quá nhỏ để lưu trữ năng lượng - thường được đo bằng microfarad (triệu farad). Đây là lý do tại sao siêu tụ điện được phát minh vào những năm 1950. Trong các biến thể công nghiệp lớn nhất của chúng, do các công ty như Maxwell Technologies sản xuất, công suất đạt tới vài nghìn farad, tức là 10-20% công suất của pin lithium-ion.

4 Cách hoạt động của siêu tụ điện

Không giống như các tụ điện thông thường, không có chất điện môi. Thay vào đó, hai bản được ngâm trong chất điện phân và được ngăn cách bởi một lớp cách điện rất mỏng. Điện dung của một siêu tụ điện thực sự tăng lên khi diện tích của các tấm này tăng lên và khoảng cách giữa chúng giảm xuống. Để tăng diện tích bề mặt, chúng hiện được phủ bằng vật liệu xốp chẳng hạn như ống nano carbon (nhỏ đến mức 10 tỷ trong số chúng nằm gọn trong một cm vuông). Dải phân cách có thể chỉ dày một phân tử với một lớp graphene.

Để hiểu được sự khác biệt, tốt nhất hãy coi điện như nước. Khi đó, một tụ điện đơn giản sẽ giống như một chiếc khăn giấy có thể hấp thụ một lượng giới hạn. Trong ví dụ, siêu tụ điện là miếng bọt biển nhà bếp.

5 Pin: Ưu và Nhược điểm

Pin có một lợi thế đáng kể - mật độ năng lượng cao, cho phép chúng lưu trữ lượng năng lượng tương đối lớn trong một bể chứa nhỏ.

Tuy nhiên, chúng cũng có nhiều nhược điểm - trọng lượng nặng, tuổi thọ hạn chế, sạc chậm và giải phóng năng lượng tương đối chậm. Ngoài ra, kim loại độc hại và các chất nguy hiểm khác được sử dụng để sản xuất chúng. Pin chỉ hoạt động hiệu quả trong một phạm vi nhiệt độ hẹp, vì vậy chúng thường phải được làm mát hoặc sưởi ấm, làm giảm hiệu suất cao của chúng.

6 siêu tụ điện: Ưu và nhược điểm

Siêu tụ điện nhẹ hơn nhiều so với pin, tuổi thọ của chúng dài hơn rất nhiều, không yêu cầu bất kỳ chất độc hại nào, chúng sạc và giải phóng năng lượng gần như ngay lập tức. Vì chúng hầu như không có điện trở trong nên chúng không tiêu tốn năng lượng để hoạt động - hiệu suất của chúng là 97-98%. Các siêu tụ điện hoạt động mà không có độ lệch đáng kể trong toàn bộ phạm vi từ -40 đến +65 độ C.

Điểm bất lợi là chúng dự trữ năng lượng ít hơn đáng kể so với pin lithium-ion.

7 Nội dung mới

Ngay cả những siêu tụ điện hiện đại tiên tiến nhất cũng không thể thay thế hoàn toàn pin trong xe điện. Nhưng nhiều nhà khoa học và các công ty tư nhân đang làm việc để cải thiện chúng. Ví dụ, ở Anh, Superdielectrics đang làm việc với một vật liệu ban đầu được phát triển để sản xuất kính áp tròng.

Skeleton Technologies đang làm việc với graphene, một dạng thù hình của carbon. Một lớp dày một nguyên tử cứng hơn thép cường độ cao 100 lần và chỉ 1 gam của nó có thể bao phủ 2000 mét vuông. Công ty đã lắp đặt các siêu tụ điện graphene trong các xe tải chạy bằng động cơ diesel thông thường và tiết kiệm được 32% nhiên liệu.

Mặc dù thực tế là siêu tụ điện không thể thay thế hoàn toàn pin, nhưng ngày nay có một xu hướng tích cực trong sự phát triển của công nghệ này.

Câu hỏi và trả lời:

Siêu tụ điện hoạt động như thế nào? Nó hoạt động theo cách tương tự như tụ điện dung lượng cao. Trong đó, điện được tích lũy do tĩnh trong quá trình phân cực của chất điện phân. Tuy là thiết bị điện hóa nhưng không có phản ứng hóa học nào diễn ra.

Siêu tụ điện để làm gì? Siêu tụ điện được sử dụng để lưu trữ năng lượng, khởi động động cơ, trong các phương tiện hybrid, làm nguồn cung cấp dòng điện ngắn hạn.

Siêu tụ điện khác với các loại pin khác nhau như thế nào? Pin có khả năng tự tạo ra điện thông qua phản ứng hóa học. Siêu tụ điện chỉ tích lũy năng lượng được giải phóng.

Siêu tụ điện được sử dụng ở đâu? Các tụ điện dung lượng thấp được sử dụng trong các khối flash (phóng điện hoàn toàn) và trong bất kỳ hệ thống nào yêu cầu số lượng lớn các chu kỳ phóng điện / sạc.