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全新量子充电技术:可将充电时间缩短至3分钟,最快9秒充满一辆电动汽车

全新量子充电技术:可将充电时间缩短至3分钟,最快9秒充满一辆电动汽车

分类:科技

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随着电动车的普及,越来越多的消费者开始为充电而烦恼。


就当前市面上的电动汽车而言,在家中充电桩充满电,大约需要10个小时。即使是前往专用的快速充电站,最快也需要20-40分钟才能为一辆车充满电。显然,充电的不便,也让很多潜在消费者望电车止步。


那么,有没有新的技术突破,来提高电车充电速度呢?




电动车的火热与挑战


无论是光伏还是核能,人类文明迟早都必须转向可再生能源。考虑到人类不断增长的能源需求和化石燃料的有限性,可再生能源的这一趋势被认为是不可避免的。


因此,为了开发替代能源,科学家们进行了大量研究,其中大部分都是将电力作为主要能源载体。而随着可再生能源的广泛开发,基于可再生能源的新产品和设备也得到了快速发展。最显著的变化,就是电动汽车的迅速普及。


虽然10年前在公路上大家几乎看不到电动汽车,但现在,每年数百万辆电动汽车进入千家万户。电动汽车市场成为增长最快的新能源行业之一,马斯克也成为了世界上最富有的人之一。


与从碳氢化合物燃料的燃烧中获取能量的传统汽车不同,电动汽车依靠电池作为其能量的存储介质。但是,长期以来,电池的能量密度远低于碳氢化合物,这导致早期电动汽车的续航里程非常低。


不过,电池技术的逐步改进,最终使电动汽车的行驶里程与燃油汽车相比处于可接受的水平。毫不夸张地说,电池存储技术的改进是推动当前电动汽车革命必须解决的主要技术瓶颈之一。


然而,尽管电池技术取得了巨大进步,但如今的电动汽车消费者仍然面临着另一个难题———电池充电速度缓慢。


量子充电技术


为了解决这个问题,科学家们开始在神秘的量子物理学领域寻找答 案。


研究人员发现,量子技术可能会带来为电池以更快速度充电的新机制。这种“量子电池”的概念最早是在2012年发表的一篇开创性论文中提出。


理论上,量子资源(quantum resource)可以通过为电池内部单元集体同时充电的方式进行充电,从而大大加快电池充电过程。这一发现尤其令人兴奋。


后来,在2017年左右,人们注意到这种量子优势背后可能有两个可能的实现途径———即“global operation”(所有充电单元同时与所有其他单元面对面,即“都坐在一张桌子上”)和'all-to-all coupling'(每个充电单元都可以相互面对面,即“每个单元只有两个参与者”)。


但是,尚不清楚这两种可能是否都是必要的,以及可以达到的充电速度是否有任何限制。


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在最新发表的研究中,科学家们进一步探索了这些问题。这篇发表在《物理评论快报》杂志的论文表明,all-to-all coupling在量子电池中是无关紧要的,global operation的存在是量子优势的唯一因素。


该小组进一步查明了这种优势的确切来源,同时排除了任何其他可能性,甚至提供了一种设计这种电池的明确方法。


此外,该小组精确量化了在该方案中可以实现多快的充电速度。虽然最大充电速度随着经典电池的电池数量线性增加,但研究表明,采用global operation的量子电池可以实现充电速度的指数增加。

图|当前的电动汽车,与基于量子电池技术的未来汽车对比图示


为了说明这一点,研究人员假设一个传统的电动汽车,其电池包含大约200个电池单元。使用这种量子充电技术,充电速度将比传统电池加速200倍,这意味着在家充电时间将从10小时减少到大约3分钟。而通过快速充电站,充电时间将从30分钟缩短到几秒钟。


研究人员表示,这一技术方案的影响可能是深远的,量子充电的实现,可能远远超出电动汽车和消费电子产品领域。例如,它可能会在未来的核能发电厂中找到关键用途,因为这里需要大量的能量以实现瞬间充电和放电。


当然,量子技术仍处于起步阶段,要在实践中实施这些方法还有很长的路要走。


然而,诸如此类的研究结果开辟了一个有希望的方向,并可以激励资助机构和企业进一步投资于这些技术。如果实现,相信量子电池将彻底改变我们使用能源的方式,并使我们更接近可持续未来。


延伸阅读:


"量子电池"充电更快,证明了量子系统的热力学优势


最近,来自英国、意大利等四国的物理学家在英国物理学会(IOP)刊物《New Journal of Physics》杂志上发表论文,提出了“量子电池”的概念,并理论证明了多量子比特相互纠缠而产生的“量子加速”能为充电提供捷径,所以用量子电池充电比传统电池更快。



量子电池可以有多种物理形式,如离子、中性原子、光子等。量子比特能同时处于两种状态,在量子电池中,这两种状态代表不同能级,充电表示将量子比特由低能态变成高能态,而放电是逆向过程。这些特殊的量子比特称为“工作量子比特”,因为它们可以在储电后用于以后的工作。


从本质上说,实验室中任何可控的、有稳定特征能态的量子系统都可以看作是一种电池。量子系统与传统电池的重要区别是,量子比特之间的联系非常密切,整个量子比特阵列可作为一个量子态。


研究人员证明:在充电过程中,与没有纠缠的量子相比,纠缠量子在低能态和高能态之间通过的距离更短,而且量子比特越多,纠缠越强,充电过程也就越快,充电使用时间与量子比特数量成反比。因此,假如1个工作比特充电要1小时,6个工作比特就只需10分钟。但实际上,典型量子系统不可能保持量子态这么长时间,它会与周围环境相互作用而退相干。


除了退相干以外,量子电池用于现实的另一个障碍是,相对于手机、电动车等设备的用电需求来说,它们能存储的电量太小了。


论文合著者、意大利阿卜杜斯·萨拉姆国际理论物理中心物理学家约翰·古尔德说:“量子系统的储电量比日常用电设备要小好几个数量级。我们只是从理论上证明了在给一个系统输入能量时,量子物理能带来加速。”


此外,还有一个大问题在于:除了发热(无序能量)以外,量子电池能否做功(定向能量)。研究人员打算进一步研究热力学过程中的量子效应,以更好地理解量子电池的潜在应用。



来源:学术头条、学术帮

注:文章内的所有配图皆为网络转载图片,侵权即删!

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    2022-05-06 00:00:28 

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