量子电池：电能存储新概念

James Quach

澳大利亚联邦科学与工业研究组织（CSIRO）首席科学家

量子电池的概念是在10年前由波兰和比利时的两位研究人员首次正式提出，目前世界上已经有几个团队正在对其进行研发。何为“量子电池”？量子电池的工作原理是什么？与传统电池相比，它具有哪些优势？在量子电池的研发过程中需要克服什么样的挑战？

量子电池有望实现比传统电池更快的充电速度，甚至可以利用光能充电。

量子电池储存的是光子的能量，而不是像传统的电化学电池那样存储电子和离子的能量。

由于量子具有纠缠效应（亦称缠结效应）和超吸收效应，量子电池的尺寸越大，充电速度越快。

虽然现在的量子电池还不能驱动电动汽车，但可以用于小型电子设备，还可提高太阳能电池的效率。

目前的挑战是如何进一步推动量子电池研发，实现给远离电网的地区供电。

电池是一种储存电能的设备：量子电池也不例外。理论上，量子电池是一种量子力学系统，存储的是光子的能量，而不是像传统的电化学电池那样存储电子和离子的能量。由于量子的纠缠和超吸收效应，量子电池的尺寸越大，充电越快，这一特性有助于制造更高效的光收集设备，如太阳能电池。

量子电池的概念是波兰格坦斯克大学（University of Gdańsk）的Robert Alicki和比利时鲁汶大学（KU Leuven）的Mark Fannes在10年前首次正式提出的，目前世界上已经有几个团队正在对其进行研发。量子与经典粒子不同，经典粒子的状态是单一固定的，而量子可以同时处于多个状态的叠加之中。量子也可以影响其他孤立的量子，一个量子的状态会立即影响其他量子的状态，无论相距多远，这种现象就是所谓的“量子纠缠”。而这一特点使得量子电池能够更快地充电，因为纠缠粒子的数量越多，它们从低能态集体移动到高能态的速度就越快[1]。

“量子电池的原理可用于提高太阳能电池的效率。”

去年，澳大利亚阿德莱德大学（University of Adelaide）的James Quach及其课题组证明了即使系统中的所有量子没有完全纠缠，快速充电依旧能实现。他们简化了意大利热那亚理工学院（Italian Institute of Technology in Genoa）一个团队创建的模型 [2]，利用了一种称为“橙色Lumogen F”半导体有机染料分子，具有低能量和高能量两种状态。在特定波长光线的照射下，处于低能态的分子可以吸收光子并转换到高能量的激发状态。

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分布式布拉格反射器

Quach的团队使用的设备是分布式布拉格反射器，该设备内有多种介电材料层交替重叠。“橙色Lumogen F”分子放置在反射器的两个微米级高反射镜之间，然后用激光照射。为了确保分子有效地吸收光子，光子悬浮在惰性高分子基质中。

研究人员观察到，镜腔吸收光的速率——也就是系统充电的速率——远远超过了每个分子在没有任何纠缠的情况下单独吸收光的速率[3]。这种效应被称为“超吸收”，是所有分子通过量子叠加共同作用的结果。他们还发现，充电时间随着镜腔尺寸的增加而减少。

“系统中增加10亿个分子，量子电池就可以点亮发光二极管。”

与任何其它的量子系统一样，在扩大其比例规模之前，量子电池需要与环境隔离。这是由于“退相干”现象（亦称为“去相干”现象，即量子系统与环境因量子纠缠而产生的后果）。退相干会导致量子系统变成经典系统。从中短期来看，量子电池不太可能为电动汽车等大型用电器供电。Quach解释道：“然而，量子电池的原理可以改善光伏材料中低光能的捕获，提高太阳能电池的效率。”在这种情况下，少量的退相干可防止快速放电的量子效应，可能有利于电荷存储。

Quach同时承认：“想要在实际应用场景中可靠地利用超吸收效应，我们还有很多工作要做。例如，目前的太阳能电池和太阳能相机可以从各种波长光中充电，而我们的量子电池只能吸收特定波长的光。不过，我们有信心扩大系统的规模，生产出可以轻松集成到现有电器中的电池。”

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未来研发挑战重重

虽然从原理来说，量子电池或有助于能源转型，但仍存在许多挑战。其中之一就是找到最合适的储能方式，让电能的储存和释放既稳定，又简单可靠。

另外还值得一提的是，Quach的团队开发的分子腔只能储存光子。将这些光转化为可用的电能，就需要结合一个导电层，将带电分子中的电子转移到导电层中，由此必须向系统中添加更多的分子。增加10亿个分子，量子电池就能点亮发光二极管。若能实现，量子电池便可用在手表、手机、平板电脑或笔记本电脑之类的小型电器上。

目前，Quach的团队计划进一步优化他们的量子电池。如果成功，有望带来巨大的积极效应：量子电池可以作为小型离网电源和为物联网设备供电。可以将其设计成与目前的太阳能电池板和电池类似，但由于充电和存储功能位于一个系统中，因此更容易集成和使用。

Quach说：“我们的目标是在三到五年内生产出这样的设备。”

作者

Isabelle Dumé

编辑

Meister Xia

1. https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1367–2630/17/7/075015/meta

2. https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.117702

3. https://www.science.org/doi/pdf/10.1126/sciadv.abk3160