全新量子充電技術(shù)：最快9秒充滿一輛電動汽車？

隨著電動車的普及，越來越多的消費者開始為充電而煩惱。就當(dāng)前市面上的電動汽車而言，在家中充電樁充滿電，大約需要10個小時。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，也讓很多潛在消費者望電車止步。那么，有沒有新的技術(shù)突破，來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)的電動汽車充電過程加速200倍，這意味著充電時間將從10小時縮短到大約3分鐘（在家里），或在充電站從30分鐘縮短到9秒。

電動車的火熱與挑戰(zhàn)

無論是光伏還是核能，人類文明遲早都必須轉(zhuǎn)向可再生能源。考慮到人類不斷增長的能源需求和化石燃料的有限性，可再生能源的這一趨勢被認(rèn)為是不可避免的。因此，為了開發(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)缀蹩床坏诫妱悠?，但現(xiàn)在，每年數(shù)百萬輛電動汽車進(jìn)入千家萬戶。電動汽車市場成為增長最快的新能源行業(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，電動汽車依靠電池作為其能量的存儲介質(zhì)。但是，長期以來，電池的能量密度遠(yuǎn)低于碳?xì)浠衔铮@導(dǎo)致早期電動汽車的續(xù)航里程非常低。不過，電池技術(shù)的逐步改進(jìn)，最終使電動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，電池存儲技術(shù)的改進(jìn)是推動當(dāng)前電動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，但如今的電動汽車消費者仍然面臨著另一個難題——電池充電速度緩慢。

量子充電技術(shù)

為了解決這個問題，科學(xué)家們開始在神秘的量子物理學(xué)領(lǐng)域?qū)ふ掖鸢?。研究人員發(fā)現(xiàn)，量子技術(shù)可能會帶來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)表的一篇開創(chuàng)性論文中提出。理論上，量子資源（quantumresource）可以通過為電池內(nèi)部單元集體同時充電的方式進(jìn)行充電，從而大大加快電池充電過程。這一發(fā)現(xiàn)尤其令人興奮。

后來，在2017年左右，人們注意到這種量子優(yōu)勢背后可能有兩個可能的實現(xiàn)途徑——即「globaloperation」（所有充電單元同時與所有其他單元面對面，即「都坐在一張桌子上」）和「all-to-allcoupling」每個充電單元都可以相互面對面，即「每個單元只有兩個參與者」）。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)一步探索了這些問題。這篇發(fā)表在《物理評論快報》雜志的論文表明，all-to-allcoupling在量子電池中是無關(guān)緊要的，globaloperation的存在是量子優(yōu)勢的唯一因素。該小組進(jìn)一步查明了這種優(yōu)勢的確切來源，同時排除了任何其他可能性，甚至提供了一種設(shè)計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)典電池的電池數(shù)量線性增加，但研究表明，采用globaloperation的量子電池可以實現(xiàn)充電速度的指數(shù)增加。

為了說明這一點，研究人員假設(shè)一個傳統(tǒng)的電動汽車，其電池包含大約200個電池單元。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間將從10小時減少到大約3分鐘。而通過快速充電站，充電時間將從30分鐘縮短到幾秒鐘。