25 марта 2022

Разработаны квантовые батареи, которые могут заряжать электромобиль за 3 минуты

Квантовые батареи, в настоящее время являющиеся теоретическими устройствами, могли бы, помимо прочего, значительно ускорить время зарядки. Но до сих пор было неясно, на сколько именно. Группа исследователей из Института фундаментальной науки (IBS) в Корее недавно продемонстрировала, что квантовые батареи могут увеличить скорость зарядки в 200 раз.

Хотя на дорогах появляется все больше и больше электромобилей, по-прежнему существует множество проблем с их производством и использованием. Некоторые из этих проблем связаны с используемыми батареями и их емкостью/скоростью зарядки. В последнее время, как отмечается в пресс-релизе Института фундаментальных наук, в котором говорится об открытии, емкость батарей значительно улучшилась. С другой стороны, скорость зарядки все еще остается низкой: в среднем на зарядку в домашних условиях уходит от восьми до десяти часов, а на станциях быстрой зарядки - около 30 минут.

Согласно последним расчетам команды, использование квантовых батарей может сократить это время зарядки до трех минут в домашних условиях и даже до нескольких секунд при использовании станций быстрой зарядки. Результаты были опубликованы на сервере arXiv, ожидая подтверждения со стороны научного сообщества. Затем они должны появиться в журнале Physical Review Letters.

Многие исследования обратились к квантовой физике для разработки более эффективных батарей. Действительно, эта ветвь физики включает в себя очень специфические механизмы, которые могут изменить игру в этой области. Квантовая физика занимается изучением поведения материи и света на микроскопическом, или атомном, уровне. Ученые обнаружили, что в таких масштабах она ведет себя так, что это противоречит классической физике. При изучении этого поведения возникли новые физические принципы, которые изучаются и сегодня. Одним из ключевых принципов, которые были изучены, является принцип квантовой запутанности. Вкратце, этот принцип относится к тому факту, что две удаленные друг от друга частицы могут образовать связанную систему. Когда происходит квантовая запутанность, можно наблюдать определенные идентичные характеристики запутанных частиц или групп частиц. На самом деле, когда измеряется состояние одной из них, другие запутанные частицы принимают то же значение. Эта связь сохраняется независимо от расстояния, которое может их разделять. Именно этот принцип работает в квантовых батареях, о которых теоретизируют многие ученые.

Именно в 2012 году была опубликована работа Алики и Фаннеса, на которой основывались исследователи IBS. В нем они продемонстрировали, что квантовая запутанность может быть использована для значительного ускорения процесса зарядки аккумулятора путем одновременной коллективной зарядки всех его элементов.

"Источник этого квантового ускорения заключается в использовании операций запутывания, при которых клетки заряжаются коллективно, как единое целое. В отличие от этого, обычные батареи заряжаются параллельно, что означает, что каждый элемент заряжается независимо от других", — объясняют исследователи IBS в своей публикации.

Эта возможность была названа "преимуществом квантового заряда". Как говорится в пресс-релизе института, в котором переосмысливаются расчеты, впоследствии было проведено множество исследований этого знаменитого преимущества квантового заряда. В итоге было установлено, что за ним могут стоять два возможных режима работы. Существует "глобальная работа", при которой все элементы (аккумуляторы в батарее) соединены вместе одновременно, и работа "все ко всем", при которой происходит последовательное соединение два к одному. Это как если бы все элементы в батарее могли вести множество "дискуссий", но в каждой дискуссии было бы только два участника.

До сих пор было неясно, какой из этих двух механизмов работает в ускорении зарядки, связанном с квантовыми батареями. Именно в этом заключается открытие, сделанное в результате расчетов, представленных в новом исследовании. По мнению исследователей, операция "все ко всем" не действует, и только "глобальная операция" показывает действительность для преимущества квантового заряда. Они также, как уже упоминалось выше, смогли конкретно рассчитать это квантовое преимущество. Таким образом, они смогли вывести увеличение скорости перезарядки в 200 раз по сравнению с обычной батареей с 200 электрическими элементами. Результатом, как говорится в пресс-релизе, является сокращение времени зарядки автомобиля с десяти часов до трех минут дома и всего до нескольких секунд на зарядной станции.

Однако это лишь один из примеров. Ученые видят гораздо больше пользы в том, что их расчеты показывают о будущих квантовых батареях. Они надеются, что они могут быть полезны, например, в будущих электростанциях ядерного синтеза, которые требуют способности накапливать и высвобождать большое количество энергии очень быстро.