隨著電動(dòng)車的普及,越來(lái)越多的消費(fèi)者開(kāi)始為充電而煩惱。
就當(dāng)前市面上的電動(dòng)汽車而言,在家中充電樁充滿電,大約需要 10 個(gè)小時(shí)。即使是前往專用的快速充電站,最快也需要 20-40 分鐘才能為一輛車充滿電。顯然,充電的不便,也讓很多潛在消費(fèi)者望電車止步。
那么,有沒(méi)有新的技術(shù)突破,來(lái)提高電車充電速度呢?
最近,基礎(chǔ)科學(xué)研究所(IBS)復(fù)雜系統(tǒng)理論物理中心的科學(xué)家們給出了一個(gè)全新的技術(shù)解決方案——量子充電技術(shù)。使用量子充電技術(shù),可將傳統(tǒng)的電動(dòng)汽車充電過(guò)程加速 200 倍,這意味著充電時(shí)間將從 10 小時(shí)縮短到大約 3 分鐘(在家里),或在充電站從 30 分鐘縮短到 9 秒。
電動(dòng)車的火熱與挑戰(zhàn)
無(wú)論是光伏還是核能,人類文明遲早都必須轉(zhuǎn)向可再生能源??紤]到人類不斷增長(zhǎng)的能源需求和化石燃料的有限性,可再生能源的這一趨勢(shì)被認(rèn)為是不可避免的。
因此,為了開(kāi)發(fā)替代能源,科學(xué)家們進(jìn)行了大量研究,其中大部分都是將電力作為主要能源載體。而隨著可再生能源的廣泛開(kāi)發(fā),基于可再生能源的新產(chǎn)品和設(shè)備也得到了快速發(fā)展。最顯著的變化,就是電動(dòng)汽車的迅速普及。
雖然 10 年前在公路上大家?guī)缀蹩床坏诫妱?dòng)汽車,但現(xiàn)在,每年數(shù)百萬(wàn)輛電動(dòng)汽車進(jìn)入千家萬(wàn)戶。電動(dòng)汽車市場(chǎng)成為增長(zhǎng)最快的新能源行業(yè)之一,馬斯克也成為了世界上最富有的人之一。
與從碳?xì)浠衔锶剂系娜紵蝎@取能量的傳統(tǒng)汽車不同,電動(dòng)汽車依靠電池作為其能量的存儲(chǔ)介質(zhì)。但是,長(zhǎng)期以來(lái),電池的能量密度遠(yuǎn)低于碳?xì)浠衔?,這導(dǎo)致早期電動(dòng)汽車的續(xù)航里程非常低。
不過(guò),電池技術(shù)的逐步改進(jìn),最終使電動(dòng)汽車的行駛里程與燃油汽車相比處于可接受的水平。毫不夸張地說(shuō),電池存儲(chǔ)技術(shù)的改進(jìn)是推動(dòng)當(dāng)前電動(dòng)汽車革命必須解決的主要技術(shù)瓶頸之一。
然而,盡管電池技術(shù)取得了巨大進(jìn)步,但如今的電動(dòng)汽車消費(fèi)者仍然面臨著另一個(gè)難題——電池充電速度緩慢。
量子充電技術(shù)
為了解決這個(gè)問(wèn)題,科學(xué)家們開(kāi)始在神秘的量子物理學(xué)領(lǐng)域?qū)ふ掖鸢浮?/div>
研究人員發(fā)現(xiàn),量子技術(shù)可能會(huì)帶來(lái)為電池以更快速度充電的新機(jī)制。這種“量子電池”的概念最早是在 2012 年發(fā)表的一篇開(kāi)創(chuàng)性論文中提出。
理論上,量子資源(quantum resource)可以通過(guò)為電池內(nèi)部單元集體同時(shí)充電的方式進(jìn)行充電,從而大大加快電池充電過(guò)程。這一發(fā)現(xiàn)尤其令人興奮。
后來(lái),在 2017 年左右,人們注意到這種量子優(yōu)勢(shì)背后可能有兩個(gè)可能的實(shí)現(xiàn)途徑——即“global operation”(所有充電單元同時(shí)與所有其他單元面對(duì)面,即“都坐在一張桌子上”)和'all-to-all coupling'(每個(gè)充電單元都可以相互面對(duì)面,即“每個(gè)單元只有兩個(gè)參與者”)。
但是,尚不清楚這兩種可能是否都是必要的,以及可以達(dá)到的充電速度是否有任何限制。
在最新發(fā)表的研究中,科學(xué)家們進(jìn)一步探索了這些問(wèn)題。這篇發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》雜志的論文表明,all-to-all coupling 在量子電池中是無(wú)關(guān)緊要的,global operation 的存在是量子優(yōu)勢(shì)的唯一因素。
該小組進(jìn)一步查明了這種優(yōu)勢(shì)的確切來(lái)源,同時(shí)排除了任何其他可能性,甚至提供了一種設(shè)計(jì)這種電池的明確方法。
此外,該小組精確量化了在該方案中可以實(shí)現(xiàn)多快的充電速度。雖然最大充電速度隨著經(jīng)典電池的電池?cái)?shù)量線性增加,但研究表明,采用 global operation 的量子電池可以實(shí)現(xiàn)充電速度的指數(shù)增加。
圖 | 當(dāng)前的電動(dòng)汽車,與基于量子電池技術(shù)的未來(lái)汽車對(duì)比圖示
為了說(shuō)明這一點(diǎn),研究人員假設(shè)一個(gè)傳統(tǒng)的電動(dòng)汽車,其電池包含大約 200 個(gè)電池單元。使用這種量子充電技術(shù),充電速度將比傳統(tǒng)電池加速 200 倍,這意味著在家充電時(shí)間將從 10 小時(shí)減少到大約 3 分鐘。而通過(guò)快速充電站,充電時(shí)間將從 30 分鐘縮短到幾秒鐘。
研究人員表示,這一技術(shù)方案的影響可能是深遠(yuǎn)的,量子充電的實(shí)現(xiàn),可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出電動(dòng)汽車和消費(fèi)電子產(chǎn)品領(lǐng)域。例如,它可能會(huì)在未來(lái)的核能發(fā)電廠中找到關(guān)鍵用途,因?yàn)檫@里需要大量的能量以實(shí)現(xiàn)瞬間充電和放電。
當(dāng)然,量子技術(shù)仍處于起步階段,要在實(shí)踐中實(shí)施這些方法還有很長(zhǎng)的路要走。
然而,諸如此類的研究結(jié)果開(kāi)辟了一個(gè)有希望的方向,并可以激勵(lì)資助機(jī)構(gòu)和企業(yè)進(jìn)一步投資于這些技術(shù)。如果實(shí)現(xiàn),相信量子電池將徹底改變我們使用能源的方式,并使我們更接近可持續(xù)未來(lái)。