中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：目前，全球量子電池研究仍處于實(shí)驗(yàn)室理論探索與原型驗(yàn)證階段，但已有多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)取得一定研發(fā)進(jìn)展，這些研究成果將給儲(chǔ)能技術(shù)領(lǐng)域帶來(lái)顛覆。
從智能手機(jī)、電動(dòng)汽車(chē)，到公用事業(yè)規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)，電池已經(jīng)滲透到現(xiàn)代社會(huì)方方面面，推動(dòng)儲(chǔ)能裝置在小型微型化、高功率密度、大存儲(chǔ)容量、更快速充電等性能上不斷逼近物理與化學(xué)材料的理論極限。在此背景下，量子電池這一基于量子力學(xué)原理的新型儲(chǔ)能技術(shù)開(kāi)始受到關(guān)注。通過(guò)利用量子糾纏、量子相干等奇特效應(yīng)，讓量子電池理論上實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能密度與充電速度突破。目前，全球量子電池研究仍處于實(shí)驗(yàn)室理論探索與原型驗(yàn)證階段，但已有多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)取得一定研發(fā)進(jìn)展，這些研究成果將給儲(chǔ)能技術(shù)領(lǐng)域帶來(lái)顛覆。
重新定義小型儲(chǔ)能技術(shù)極限
傳統(tǒng)電池通過(guò)化學(xué)反應(yīng)存儲(chǔ)能量，量子電池則基于量子力學(xué)原理運(yùn)作，后者得益于微觀世界中獨(dú)特的量子特性以及自下而上的原子級(jí)制造工藝，有望成為一種具有更小體積、更強(qiáng)充電功率、更高存儲(chǔ)容量以及更大可提取功的新一代儲(chǔ)能與供能裝置。
法國(guó)前沿科學(xué)洞察網(wǎng)指出，量子電池可以作為小型離網(wǎng)能源，也可為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備供電。同時(shí)，由于充電和存儲(chǔ)功能集成在一個(gè)系統(tǒng)中，更易于集成和使用。
全球范圍內(nèi)，量子電池研發(fā)仍處于早期階段，但已有一些關(guān)鍵性突破。今年7月，蘭州大學(xué)與湖北大學(xué)和中科院精密測(cè)量院合作提出自放電緩解量子電池方案，相關(guān)研究成果已發(fā)表在全球物理學(xué)頂級(jí)期刊上。這是該團(tuán)隊(duì)繼2024年提出抗老化的遠(yuǎn)距無(wú)線充電量子電池方案后，取得的另一重要成果。該方案首次同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)量子電池可提取功的優(yōu)化與自放電的有效控制，對(duì)于推動(dòng)量子電池的物理實(shí)現(xiàn)具有重要理論指導(dǎo)意義。
同一時(shí)期，澳大利亞皇家墨爾本理工大學(xué)和澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織組成的研究團(tuán)隊(duì)，開(kāi)發(fā)出一種能顯著延長(zhǎng)量子電池壽命的新方法，可以將量子電池的能量保持時(shí)間控制至微秒級(jí)，比之前的模型提升1000倍。澳大利亞皇家墨爾本理工大學(xué)校長(zhǎng)特聘研究員Francesco Campaioli表示：“此次技術(shù)突破，為便攜式電子設(shè)備和小型傳感器供電提供了新方向，相當(dāng)于一部手機(jī)充電30分鐘后閑置，大約20天后才會(huì)沒(méi)電?！?/span>
科學(xué)界普遍認(rèn)為，針對(duì)量子電池研發(fā)，找到恰到好處的能量水平并能夠簡(jiǎn)單可靠進(jìn)行管理、存儲(chǔ)和釋放是關(guān)鍵，因?yàn)槲镔|(zhì)在量子物理學(xué)中的行為常常出人意料且難以預(yù)測(cè)。麻省理工學(xué)院能源研究所教授羅伯特·湯普森表示：“量子效應(yīng)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下表現(xiàn)良好，但在真實(shí)世界中仍然面臨穩(wěn)定性問(wèn)題。極端溫度、震動(dòng)等因素都可能影響量子態(tài)的維持?！?/span>
有效提高光伏電池轉(zhuǎn)換效率
美國(guó)物理學(xué)會(huì)旗下能源期刊PRX Energy指出，量子電池技術(shù)可以顯著提高太陽(yáng)能電池效率，使其能夠更快捕獲和儲(chǔ)存太陽(yáng)能，同時(shí)也能催生出更高效、更強(qiáng)大的電子設(shè)備。
今年2月，澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織首席科學(xué)家James Quach領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)，成功開(kāi)發(fā)出一種利用微腔的量子電池模型。該微腔是一個(gè)充滿有機(jī)分子的微小空間，有機(jī)分子之間會(huì)放置高反射性的微米級(jí)鏡子，這些鏡子能夠捕獲激光，促使分子從光中吸收能量。
該研究團(tuán)隊(duì)充分利用量子糾纏現(xiàn)象，從而讓這個(gè)量子電池模型可以實(shí)現(xiàn)一種稱(chēng)為“超吸收”的顯著效應(yīng)，進(jìn)而讓充電速度變得更快。微腔中的有機(jī)分子越多，充電過(guò)程就越快，這是因?yàn)橄嗷ゼm纏的吸光分子協(xié)同工作，形成了一個(gè)整體的“量子超級(jí)分子”，增強(qiáng)能量吸收能力。這意味著，在陰天等弱光條件下，這個(gè)量子電池模型能更高效地捕獲稀缺的光子；而在強(qiáng)光條件下，集體吸收特性則以遠(yuǎn)超傳統(tǒng)電池的極限速度進(jìn)行充電，從而大幅提升吸光效率，為全天候、高效益太陽(yáng)能發(fā)電與存儲(chǔ)一體化提供了全新路徑。
James Quach表示：“量子電池通過(guò)改善光電材料在弱光條件下的能量捕獲能力，提高太陽(yáng)能電池的效率。不過(guò)，我們還有很多工作要做。比如，目前的太陽(yáng)能電池能夠存儲(chǔ)來(lái)自寬范圍波長(zhǎng)的能量，但我們量子電池原型只能吸收特定波長(zhǎng)的光?！?/span>
James Quach研究團(tuán)隊(duì)正在探索不同材料和結(jié)構(gòu)配置，從而進(jìn)一步完善這個(gè)量子電池模型的構(gòu)造，為大規(guī)模應(yīng)用制造出實(shí)用且成本效益高的量子電池奠定基礎(chǔ)。
大幅提升電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航能力
值得一提的是，量子電池在電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域應(yīng)用也有顯著進(jìn)展。今年4月，特斯拉公布了其量子電池技術(shù)研發(fā)動(dòng)向，稱(chēng)該技術(shù)將使特斯拉新款電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航能力突破2000公里。
“這不是簡(jiǎn)單的技術(shù)迭代，而是能源行業(yè)的革命性飛躍。”特斯拉首席執(zhí)行官埃隆·馬斯克表示。量子電池技術(shù)突破了鋰離子電池的物理限制，通過(guò)結(jié)合量子隧穿效應(yīng)和超級(jí)電容技術(shù)，將電池能量密度提高近8倍。
特斯拉在量子電池技術(shù)方面的研發(fā)主要集中于“量子波動(dòng)提取”，即利用電子的波粒二象性，通過(guò)特殊材料結(jié)構(gòu)，讓能量在微觀層面實(shí)現(xiàn)高效儲(chǔ)存和釋放，研發(fā)關(guān)鍵在于新型納米級(jí)石墨烯陣列結(jié)構(gòu)。特斯拉首席技術(shù)官安德魯·鮑爾指出，這相當(dāng)于將儲(chǔ)能技術(shù)提升一個(gè)或兩個(gè)維度，將打破傳統(tǒng)熱力學(xué)的部分限制。特斯拉開(kāi)發(fā)的專(zhuān)用量子管理系統(tǒng)，還可以精確控制充放電過(guò)程，確保電池安全高效運(yùn)行。
美國(guó)汽車(chē)工程師學(xué)會(huì)獨(dú)立測(cè)試顯示，搭載量子電池的特斯拉Model S在綜合工況下，續(xù)航里程可達(dá)1980公里，較目前市面上的電動(dòng)汽車(chē)提升近3倍。
特斯拉方面表示，該公司的量子電池技術(shù)還支持“閃充”功能，只需要15分鐘即可充滿80%的電量，足夠行駛1600公里。雖然特斯拉并未公布搭載量子電池的車(chē)型價(jià)格，但市場(chǎng)估計(jì)，將比同級(jí)別車(chē)型高出30%至50%。
