科學(xué)家聲稱他們可以利用量子技術(shù)資源，將10小時的充電時間縮短至3分鐘。

研究人員已經(jīng)轉(zhuǎn)向量子物理學(xué)，以找到如何為電動汽車（EV）制造電池的線索，這種電池的充電速度可以與加滿一箱汽油的速度一樣快，甚至更快。

韓國基礎(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)化電動汽車的量子電池，確定了這種系統(tǒng)可以達(dá)到多大的充電速度。

目前，電動汽車在家充滿電大約需要10小時，而在充電站通過最快的增壓器可在20至40分鐘內(nèi)充滿電。理想狀態(tài)下，為了使這些車更具有吸引力，給電池充電所需的時間不應(yīng)超過給汽車加油所需的時間。

為了解決這個問題，IBS的科學(xué)家們決定轉(zhuǎn)向量子物理領(lǐng)域，這是一個經(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，通過集體方式同時給電池內(nèi)的所有電池充電，顯著加快電池充電過程。

量子的優(yōu)勢

研究人員說，事實上，電動汽車所需的大容量電池通常包含許多電池，而對它們進(jìn)行集體充電的優(yōu)勢超過了對它們進(jìn)行獨立并聯(lián)充電的優(yōu)勢，可以通過稱為“量子充電優(yōu)勢”的比率來衡量。

研究人員已經(jīng)了解量子優(yōu)勢背后有兩個可能的來源，一種被稱為“全局操作”（global operation），指所有電池同時與所有其他電池可以連接，另一種是“所有對所有耦合”（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發(fā)生以獲得充電優(yōu)勢，也不清楚對實現(xiàn)的充電速度是否有限制。

研究人員表示，IBS團(tuán)隊決定探索這些問題，并且找到了一些答案，為制造充電更快的電動汽車電池奠定了基礎(chǔ)。

在報告中，他們找到的其中一個發(fā)現(xiàn)是量子電池中的“所有對所有耦合”都是不相關(guān)的；另一個是“全局操作”的出現(xiàn)是量子優(yōu)勢的唯一組成部分。

研究人員表示，研究團(tuán)隊還明確指出了這種優(yōu)勢的精準(zhǔn)來源，同時排除了任何其他設(shè)計可能性，為如何研發(fā)具有優(yōu)化充電的量子電池提供了藍(lán)圖。

上圖為目前電動汽車（EVs）與未來基于量子電池電動汽車的對比。研究人員發(fā)現(xiàn)，利用量子充電將使普通電動汽車的充電速度提高200倍，這意味著在家充電時間可從10小時降至3分鐘，在充電站充電的時間由原來的30分鐘縮短至9秒。

從幾小時到幾分鐘

將來，團(tuán)隊將具體量化在量子設(shè)計中充電速度可以達(dá)到多少。而在經(jīng)典電池中，最高充電速度隨電池數(shù)量呈線性增長，IBS研究人員發(fā)現(xiàn)量子電池通過“全局操作”可以實現(xiàn)充電速度的二次縮放（quadratic scaling）。

例如，如果考慮到一個普通電動汽車包含了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小時降至3分鐘。電池在充電站的充電時間需要30分鐘，在將來量子電池從理論上可以實現(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)，但對未來電動汽車電池的設(shè)計影響還是巨大的。

此外，電動汽車電池并不是他們工作涉及到的唯一領(lǐng)域。例如，這項研究可以應(yīng)用于聚變發(fā)電站，該發(fā)電站需要在剎那間對大量能量進(jìn)行充電和放電。

中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會 楊柳翻譯

2022.5.27