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量子物理学是电动汽车电池快速充电的关键

放大字体  缩小字体 发布日期:2022-05-30
  

 

科学家声称他们可以利用量子技术资源,将10小时的充电时间缩短至3分钟。

研究人员已经转向量子物理学,以找到如何为电动汽车(EV)制造电池的线索,这种电池的充电速度可以与加满一箱汽油的速度一样快,甚至更快。

韩国基础科学研究所(IBS)复杂系统理论物理中心的一组科学家探索了如何优化电动汽车的量子电池,确定了这种系统可以达到多大的充电速度。

目前,电动汽车在家充满电大约需要10小时,而在充电站通过最快的增压器可在20至40分钟内充满电。理想状态下,为了使这些车更具有吸引力,给电池充电所需的时间不应超过给汽车加油所需的时间。

为了解决这个问题,IBS的科学家们决定转向量子物理领域,这是一个经常神秘的领域,在最基本的层面上研究物质和能量,旨在揭示自然界构建块的性质和行为。

在他们的研究中,该团队发现,量子技术可能提供新的机制,以更快的速度给电池充电。研究人员表示,科学家于2012年提出的这些所谓的“量子电池”,理论上可以利用量子资源,例如纠缠,通过集体方式同时给电池内的所有电池充电,显著加快电池充电过程。

量子的优势

研究人员说,事实上,电动汽车所需的大容量电池通常包含许多电池,而对它们进行集体充电的优势超过了对它们进行独立并联充电的优势,可以通过称为“量子充电优势”的比率来衡量。

研究人员已经了解量子优势背后有两个可能的来源,一种被称为“全局操作”(global operation),指所有电池同时与所有其他电池可以连接,另一种是“所有对所有耦合”(all-to-all coupling),每一块电池都可以与其他电池连接,但一次只能与一块电池连接。

然而,到目前为止,尚不清楚这些资源是否必须同时发生以获得充电优势,也不清楚对实现的充电速度是否有限制。

研究人员表示,IBS团队决定探索这些问题,并且找到了一些答案,为制造充电更快的电动汽车电池奠定了基础。

在报告中,他们找到的其中一个发现是量子电池中的“所有对所有耦合”都是不相关的;另一个是“全局操作”的出现是量子优势的唯一组成部分。

研究人员表示,研究团队还明确指出了这种优势的精准来源,同时排除了任何其他设计可能性,为如何研发具有优化充电的量子电池提供了蓝图。

 

上图为目前电动汽车(EVs)与未来基于量子电池电动汽车的对比。研究人员发现,利用量子充电将使普通电动汽车的充电速度提高200倍,这意味着在家充电时间可从10小时降至3分钟,在充电站充电的时间由原来的30分钟缩短至9秒。

从几小时到几分钟

将来,团队将具体量化在量子设计中充电速度可以达到多少。而在经典电池中,最高充电速度随电池数量呈线性增长,IBS研究人员发现量子电池通过“全局操作”可以实现充电速度的二次缩放(quadratic scaling)。

例如,如果考虑到一个普通电动汽车包含了200块电池,采用量子充电的速度可比普通电池提高200倍。研究人员表示,这有可能使家庭充电从10小时降至3分钟。电池在充电站的充电时间需要30分钟,在将来量子电池从理论上可以实现在几秒钟内完成充电。

研究人员将论文发表在《Physical Review Letters》上。

研究人员表示,尽管量子电池的研究仍处于早期状态,但对未来电动汽车电池的设计影响还是巨大的。

此外,电动汽车电池并不是他们工作涉及到的唯一领域。例如,这项研究可以应用于聚变发电站,该发电站需要在刹那间对大量能量进行充电和放电。

中国化学与物理电源行业协会 杨柳翻译

2022.5.27

 
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