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量子电池来了!电动汽车充电速度提升200倍

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2022-8-10
发表于 2022-7-2 11:02:38 | 显示全部楼层 |阅读模式

  尽管电动汽车使用可以极大节能环保,但电池续航时间短的问题一直是老司机望而却步的重要原因。那么如何解决快速充电且提高续航里程问题呢?量子电池技术是否能够化解,为什么这项技术会对电动汽车充电产生重大影响?

  什么是量子电池?国外三位专家这样解释:

  Dario:简单地说,是这样的:量子电池处于量子态,我们可以将量子态视为计算机中“比特”的量子版本。你可以通过从非常低能量的状态开始并执行充电过程,将能量与量子态相关联。把低能状态带到另一种状态——这种状态具有高能量,能量存储在该状态下,并且可以在稍后阶段通过将状态恢复到原始配置来使用。

  Dominik:在经典电池中放电时会改变电池的基本化学成分,这是一样的,但现在使用的是量子态。在量子计算机中,它们使用超导量子比特。这些也处于量子态,因为它们可以具有不同的能级。最终,量子电池之于经典电池,就像量子计算机之于经典计算机一样。

  Dario:2012年出现的一个新想法,是问:我们是否可以利用一个状态的能级来储存我们的能量一段时间,然后使用它?这就产生了量子电池的想法。这意味着,需要将状态提升到一个高度激发的点,并保持这种能量,随后在需要时释放这种能量。

  前沿成果

  量子电池技术正在接近一个类似于十年前量子计算的拐点,将其从理论好奇心升级为值得解决的工程挑战。

  量子电池利用奇妙量子世界中的物理定律来获得优于传统电池的性能优势。最近关于充电速度优势和无损耗存储的研究表明,这项技术将在未来三到五年内增长。

  量子世界是概率性的,而不是确定性的,这适用于量子电池和量子计算机。例如,如果一个储能单元在传统世界中表现出基态或激发态,那么它在量子世界中实质上以“概率波”的形式出现,这可以用概率函数来描述。

  同样,同一单位在状态之间转换的可能性也可以用概率函数来定义。这个函数被称为跃迁幅度,它是解释为什么量子电池具有优势的关键。

  今年4月,韩国基础科学研究所(IBS)的研究人员提出了一种量子电池的新理论,可将电动汽车的充电速度提高200倍,这意味着在家充电时间将从10小时减少到大约3分钟。在高速充电站,充电时间将从30分钟缩短到仅仅几秒钟。相关论文发表在《物理评论快报》杂志。

  澳大利亚、意大利、英国研究小组今年在《科学进展》杂志上发表了一篇关于光敏染料分子的论文,称为Lumogen-F Orange,可用作存储单元。研究人员将这些单元限制在不同大小的组中,在光学微腔中-量子电池原型-并测量光子能够激发不同组的速率。

  “我看到了(量子电池)的潜力,如果有人能在实验室中实现这一点,”构思和管理该项目的James Quach说。“我想把它从黑板上拿出来,放进实验室。

  作为量子单位,每个染料分子都有自己的跃迁幅度,描述了它从基态跃迁到激发态的概率。

  超快充电

  当染料分子的跃迁幅度被允许相互干扰时,量子电池的魔力就出现了。

  “量子电池的工作方式是,当你将它们置于相干状态时,这些跃迁振幅会以波相互干扰的方式相互干扰,并在它们建设性地干扰时产生波峰,当它们具有破坏性时产生波峰,”Quach说。“通过这种建设性干扰,如果它们不作为一个整体,整个系统的综合过渡幅度大于各个部分的总和。

  相比之下,在传统世界中,将能量输送到电池中的最快方法是通过并行充电配置,其中每个电池同时充电。在这种设置中,电池的充电速度受到单个电池充电速度的限制。

  Quach的团队在他们的量子演示中发现的是,干扰允许整个电池比经典的并联设置充电得更快。更值得一提的是,他们发现充电速度是“超快的”,这意味着随着越来越多的染料分子(存储单元)被添加到电池中,充电速度会增加。

  微腔装置首次在物理上展示了超广泛的能量吸收-超吸收-Quach说这种现象可以从小型消费电子产品到电动汽车和电网规模的存储系统中受益。

  障碍和界限

  韩国基础科学研究所(IBS))的Juyeon Kim感兴趣的主题正是这种超广域速度的极限所在。去年,Kim和其他研究人员Dominik Safranek和Dario Rosa在《物理评论快报》上发表了一篇论文,量化了量子充电优势的界限——量子充电速度与传统充电速度的比值。

  “我想为一般情况下的预期功率制定一个非常严格的界限,”Kim说。“在传统电池中,功率随着并联电池的数量而增加。但在量子电池中,我们可以使功率随着电池数量的平方而增加。

  然而,在实践中,Quach的团队发现他们的电池充电速度只能与N的平方根成正比,这一差异值得更深入研究量子电池的实施方案。

  这些设备的充电优势源于一种称为集体充电的效应,其中电池单元真正共享电池的电源-以某种方式相互通信-而不是传统电池的每节电池为自身的策略。

  “集体充电是一种捷径,”Kim说。“我们可以选择分离电池(在传统装置中),而且没有其他影响。但在量子电池中,如果我们想要量子优势,如果我们想要集体充电,我们就无法将电池分开。

  量子电池可以利用两种量子现象之一来实现集体充电-量子纠缠或量子相干性。

  量子纠缠,被爱因斯坦称之为“远处的幽灵行动”,它将将粒子连接在一起,使它们能够在物理分离的情况下作为一个单元运行。尽管Kim的团队在他们的论文中专注于量化量子优势的纠缠,但他们也承认其脆弱性。

  Kim说,“纠缠很容易被环境打破”,而且众所周知,很难维持。例如,量子计算机倾向于在接近绝对零度的温度下运行,以追求纠缠寿命。

  出于这个原因,Quach在相干性路线上看到了更多的实用性,即使它提供的量子优势较少。虽然量子相干性也容易崩溃,但它即使在室温下也能比纠缠更好地保持稳定性。

  此外,除了超吸收之外,光学腔原型还表明,如果明智地应用于量子电池,退相干可以帮助控制其存储和放电阶段。或者从这个角度来看,一点点坏事实际上可能是好的。

  “如果我很快给电池充电,因为量子力学是时间对称的,它应该会很快放电,”Quach 解释说。 “但是退相干使这种不对称性,这意味着你可以快速充电,但随着退相干,它会非常缓慢地放电。

  前景可期

  那么为什么要量子化?如果传统电池工作正常,为什么需要使用量子电池?为什么还需要投入几亿甚至几百亿的资金来做一些同样好的事情呢?”

  当然,具有充电速度的电池可以大规模蓬勃发展并提供无损耗存储,这将在世界上占有一席之地。

  今年早些时候,IBS 关于量子充电优势的论文引起了一些媒体的关注,部分原因是它为量子电池的前景提供了一个通俗易懂的途径——它们可以用来更快地为电动汽车充电。但是,尽管将 10 小时的充电时间压缩为几秒钟的前景引起了公众的关注,但充电功率和相干保护等实际考虑因素仍处于电动汽车的研究阶段。

  Quach认为,量子电池的首批应用之一将是光收集,他打算通过扩大光敏量子电池的规模来扩展他现有的工作。

  “超吸收的想法是,它应该比传统吸收更好地吸收,因此我们希望它将太阳能电池技术提升到一个新的水平,”他说。据其指出,消费电子和电动汽车远远落后。他说,如果有足够的资金,消费者申请可以在三到五年内到达。

来源:维科电子工程网


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