Kvanteteknologi kunne gøre opladning af elbiler lige så hurtig som at pumpe gas

Uanset om det er solcelleanlæg eller fusion, før eller siden skal den menneskelige civilisation vende sig til vedvarende energi. Dette anses for uundgåeligt i betragtning af menneskehedens stadigt voksende energibehov og fossile brændstoffers begrænsede natur. Meget forskning er blevet forfulgt for at udvikle alternative energikilder, hvoraf de fleste bruger elektricitet som den vigtigste energibærer. Den omfattende forskning og udvikling inden for vedvarende energi er blevet ledsaget af gradvise samfundsmæssige ændringer, efterhånden som verden har taget nye produkter og enheder, der kører på vedvarende energi. Den mest slående ændring har været den hurtige indførelse af elektriske køretøjer. Selvom de sjældent blev set på vejene selv for 10 år siden, sælges der nu millioner af elbiler årligt. Elbilmarkedet er en af ​​de hurtigst voksende sektorer.

I modsætning til traditionelle biler, der henter energi fra forbrænding af kulbrintebrændstoffer, er elbiler afhængige af batterier som lagringsmedium for deres energi. I lang tid havde batterier langt lavere energitæthed end dem, der tilbydes af kulbrinter, hvilket resulterede i meget lave rækkevidde af tidlige elektriske køretøjer. Men en gradvis forbedring af batteriteknologierne gjorde det til sidst muligt, at elbilers køreområde var inden for acceptable niveauer sammenlignet med benzinbrændende biler. Det er ingen underdrivelse, at forbedringen af ​​batterilagringsteknologi var en af ​​de vigtigste tekniske flaskehalse, der skulle løses for at kickstarte den nuværende revolution af elektriske køretøjer.

Men på trods af de store forbedringer inden for batteriteknologi, står nutidens forbrugere af elektriske køretøjer over for en anden vanskelighed:langsom batteriopladningshastighed. I øjeblikket tager biler omkring 10 timer at lade helt op derhjemme. Selv de hurtigste superladere på ladestationerne kræver op til 20 til 40 minutter at genoplade køretøjerne helt. Dette skaber ekstra omkostninger og gener for kunderne.

For at løse dette problem ledte forskerne efter svar inden for kvantefysik. Deres søgning har ført til opdagelsen af, at kvanteteknologier kan love nye mekanismer til at oplade batterier i en hurtigere hastighed. Kvantebatteriteknologi blev første gang foreslået i et banebrydende papir udgivet af Alicki og Fannes i 2012. Det blev teoretiseret, at kvanteressourcer, såsom sammenfiltring, kan bruges til at fremskynde batteriopladningsprocessen enormt ved at oplade alle celler i batteriet samtidigt i en kollektiv måde.

Dette er særligt spændende, da moderne batterier med høj kapacitet kan indeholde adskillige celler. En sådan kollektiv opladning er ikke mulig i klassiske batterier, hvor cellerne oplades parallelt uafhængigt af hinanden. Fordelen ved denne kollektive versus parallel opladning kan måles ved forholdet kaldet kvanteopladningsfordel. Omkring 2017 bemærkede forskere, at der kan være to mulige kilder bag denne kvantefordel - nemlig global operation (hvor alle celler taler med alle andre samtidigt, dvs. "alle sidder ved ét bord") og alt-til-alle-kobling ( dvs. "mange diskussioner, men hver diskussion har kun to deltagere"). Det er dog uklart, om begge disse kilder er nødvendige, og om der er nogen grænser for den opladningshastighed, der kan opnås.

For nylig udforskede forskere fra Center for Teoretisk Fysik af Komplekse Systemer i Institute for Basic Science (IBS) disse spørgsmål yderligere. Papiret, der blev valgt som et redaktørforslag i tidsskriftet Physical Review Letters , viste, at alt-til-alle-kobling er irrelevant i kvantebatterier, og at tilstedeværelsen af ​​globale operationer er den eneste ingrediens i kvantefordelen. Gruppen gik videre for at udpege den nøjagtige kilde til denne fordel, mens de udelukkede andre muligheder og tilbød endda en eksplicit måde at designe sådanne batterier på.

Derudover var gruppen i stand til præcist at kvantificere, hvor meget opladningshastighed der kan opnås i denne ordning. Mens den maksimale opladningshastighed stiger lineært med antallet af celler i klassiske batterier, viste undersøgelsen, at kvantebatterier, der anvender global drift, kan opnå kvadratisk skalering i opladningshastighed. For at illustrere dette, overvej et typisk elektrisk køretøj med et batteri, der indeholder omkring 200 celler. Anvendelse af denne kvanteopladning ville føre til en hastighed på 200 gange i forhold til klassiske batterier, hvilket betyder, at opladningstiden derhjemme vil blive reduceret fra 10 timer til omkring 3 minutter. På højhastighedsladestationer ville opladningstiden blive reduceret fra 30 minutter til kun sekunder.

Forskere siger, at konsekvenserne er vidtrækkende, og at implikationerne af kvanteopladning kan gå langt ud over elbiler og forbrugerelektronik. For eksempel kan det finde nøgleanvendelser i fremtidige fusionskraftværker, som kræver store mængder energi for at blive opladet og udledt på et øjeblik. Of course, quantum technologies are still in their infancy and there is a long way to go before these methods can be implemented in practice. Research findings such as these, however, create a promising direction and can incentivize the funding agencies and businesses to further invest in these technologies. + Udforsk yderligere

Superabsorption unlocks key to next-generation quantum batteries