科學(xué)家聲稱(chēng)他們可以利用量子技術(shù)資源，將10小時(shí)的充電時(shí)間縮短至3分鐘。
研究人員已經(jīng)轉(zhuǎn)向量子物理學(xué)，以找到如何為電動(dòng)汽車(chē)（EV）制造電池的線(xiàn)索，這種電池的充電速度可以與加滿(mǎn)一箱汽油的速度一樣快，甚至更快。
韓國(guó)基礎(chǔ)科學(xué)研究所（IBS）復(fù)雜系統(tǒng)理論物理中心的一組科學(xué)家探索了如何優(yōu)化電動(dòng)汽車(chē)的量子電池，確定了這種系統(tǒng)可以達(dá)到多大的充電速度。
目前，電動(dòng)汽車(chē)在家充滿(mǎn)電大約需要10小時(shí)，而在充電站通過(guò)最快的增壓器可在20至40分鐘內(nèi)充滿(mǎn)電。理想狀態(tài)下，為了使這些車(chē)更具有吸引力，給電池充電所需的時(shí)間不應(yīng)超過(guò)給汽車(chē)加油所需的時(shí)間。
為了解決這個(gè)問(wèn)題，IBS的科學(xué)家們決定轉(zhuǎn)向量子物理領(lǐng)域，這是一個(gè)經(jīng)常神秘的領(lǐng)域，在最基本的層面上研究物質(zhì)和能量，旨在揭示自然界構(gòu)建塊的性質(zhì)和行為。
在他們的研究中，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，量子技術(shù)可能提供新的機(jī)制，以更快的速度給電池充電。研究人員表示，科學(xué)家于2012年提出的這些所謂的“量子電池”，理論上可以利用量子資源，例如糾纏，通過(guò)集體方式同時(shí)給電池內(nèi)的所有電池充電，顯著加快電池充電過(guò)程。
量子的優(yōu)勢(shì)
研究人員說(shuō)，事實(shí)上，電動(dòng)汽車(chē)所需的大容量電池通常包含許多電池，而對(duì)它們進(jìn)行集體充電的優(yōu)勢(shì)超過(guò)了對(duì)它們進(jìn)行獨(dú)立并聯(lián)充電的優(yōu)勢(shì)，可以通過(guò)稱(chēng)為“量子充電優(yōu)勢(shì)”的比率來(lái)衡量。
研究人員已經(jīng)了解量子優(yōu)勢(shì)背后有兩個(gè)可能的來(lái)源，一種被稱(chēng)為“全局操作”（global operation），指所有電池同時(shí)與所有其他電池可以連接，另一種是“所有對(duì)所有耦合”（all-to-all coupling），每一塊電池都可以與其他電池連接，但一次只能與一塊電池連接。
然而，到目前為止，尚不清楚這些資源是否必須同時(shí)發(fā)生以獲得充電優(yōu)勢(shì)，也不清楚對(duì)實(shí)現(xiàn)的充電速度是否有限制。
研究人員表示，IBS團(tuán)隊(duì)決定探索這些問(wèn)題，并且找到了一些答案，為制造充電更快的電動(dòng)汽車(chē)電池奠定了基礎(chǔ)。
在報(bào)告中，他們找到的其中一個(gè)發(fā)現(xiàn)是量子電池中的“所有對(duì)所有耦合”都是不相關(guān)的；另一個(gè)是“全局操作”的出現(xiàn)是量子優(yōu)勢(shì)的唯一組成部分。
研究人員表示，研究團(tuán)隊(duì)還明確指出了這種優(yōu)勢(shì)的精準(zhǔn)來(lái)源，同時(shí)排除了任何其他設(shè)計(jì)可能性，為如何研發(fā)具有優(yōu)化充電的量子電池提供了藍(lán)圖。
上圖為目前電動(dòng)汽車(chē)（EVs）與未來(lái)基于量子電池電動(dòng)汽車(chē)的對(duì)比。研究人員發(fā)現(xiàn)，利用量子充電將使普通電動(dòng)汽車(chē)的充電速度提高200倍，這意味著在家充電時(shí)間可從10小時(shí)降至3分鐘，在充電站充電的時(shí)間由原來(lái)的30分鐘縮短至9秒。
從幾小時(shí)到幾分鐘
將來(lái)，團(tuán)隊(duì)將具體量化在量子設(shè)計(jì)中充電速度可以達(dá)到多少。而在經(jīng)典電池中，最高充電速度隨電池?cái)?shù)量呈線(xiàn)性增長(zhǎng)，IBS研究人員發(fā)現(xiàn)量子電池通過(guò)“全局操作”可以實(shí)現(xiàn)充電速度的二次縮放（quadratic scaling）。
例如，如果考慮到一個(gè)普通電動(dòng)汽車(chē)包含了200塊電池，采用量子充電的速度可比普通電池提高200倍。研究人員表示，這有可能使家庭充電從10小時(shí)降至3分鐘。電池在充電站的充電時(shí)間需要30分鐘，在將來(lái)量子電池從理論上可以實(shí)現(xiàn)在幾秒鐘內(nèi)完成充電。
研究人員將論文發(fā)表在《Physical Review Letters》上。
研究人員表示，盡管量子電池的研究仍處于早期狀態(tài)，但對(duì)未來(lái)電動(dòng)汽車(chē)電池的設(shè)計(jì)影響還是巨大的。
此外，電動(dòng)汽車(chē)電池并不是他們工作涉及到的唯一領(lǐng)域。例如，這項(xiàng)研究可以應(yīng)用于聚變發(fā)電站，該發(fā)電站需要在剎那間對(duì)大量能量進(jìn)行充電和放電。
中國(guó)化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì) 楊柳翻譯
2022.5.27