雷聲大雨點小?量子電池會照進現實嗎?

2015-08-22 00:15  出處:PConline原創  作者:笛吹川   責任編輯:wangliang1 

  【PConline 雜談】在一年一度的換機潮中,CPU、GPU、相機、RAM、ROM都是廠商們愛大做文章的地方,也是近些年變化、進步最大的地方。相較之下,電池技術進步就有些相形見絀了,每年大概只有10%能量密度上的提升,廠商介紹時也只能用新力/三星的電芯來烘托出高大上的感覺。在實際的用戶體驗中,電池續航也成了明顯的短板,畢竟續航不夠,性能再強也是白搭。

量子電池

  近些年各種快速充電技術層出不窮,但電池本身在商用層面卻沒有什麼突破。雖然有石墨烯電池、“雞蛋”電池、鋰陽極電池、硅電池等等各種具有科幻色彩的電池技術已經被新聞報道過,但投向市場卻遙遙無期,不少相關的新聞下都是網友“何時可用”的吐槽。近期,又有來自英國、意大利等四國的物理學家在英國物理學會刊物《新物理學》雜誌上提出了“量子電池”的概念,以理論證明了多量子比特相互糾纏而產生的“量子加速”能為充電提供捷徑,充電比傳統鋰電池更快。今天,我們就量子電池聊聊手機電池技術這些事。

量子電池的前世今生

  說起量子電池,這並不是近期才被科學家發現的新技術。早在2012年,波蘭格但斯克大學的Robert Alicki和比利時魯汶大學的Mark Fannes就聲稱,人類可以利用量子糾纏技術製造出接近100%能量轉換率的量子電池。

量子電池的本質是量子糾纏

  具體而言,就是一個量子系統具有一個量子態,某些物質的量子態擁有一些可以使其返回被動、中立狀態的微量能量,而這些能量是可以人為提取出來的。兩位科學家談到,他們能夠由此建立一個充滿豐富能量的量子態的量子電池,而在能量耗盡後又可以透過充電來使他們恢復。

量子電池的本質是量子糾纏

  更重要的是,兩位科學家認為可以利用量子糾纏來設計一個更高效的量子電池。這種電池可以透過任意數量的量子連接在一起,從而可以大量汲取能量,如果有足夠多的量子糾纏,這種電池將會是完美的——它在充電或放電時將不會有任何的損失。

  當然,當時提到的量子電池只是建立在理論層面的。到了2014年,日本的Micronics Japan公司與Guala Technology公司共同開發了名為“battenice”量子電池,它的放電特性和化學電池一樣可保持一定電壓,實現1.5V電壓、500Wh/L能量密度、8000W/L輸出功率密度,充放電壽命(維持在初期容量的90%以上時)為10萬次,工作溫度範圍-25∼+85℃。

battenice電池的工作原理
battenice電池的工作原理

  在Micronics Japan公司的介紹中,battenice電池有以下優點主要有6點::全固體構造,無需擔心漏液;因不使用可燃性材料,無需擔心過熱起火;不使用稀有金屬和稀土材料,無需擔心資源短缺;不使用環境負荷高的物質,有利於環保;充放電壽命長(加速試驗已證實可充放電1萬次以上,現正以10萬次為目標開發),有利於減少廢棄物;輸出功率密度與電容器比肩。最重要的是,battenice電池在當年就實現了量產。

  總體而言,量子電池最大的好處一是充電快,二是能量轉化率高。

鋰電池的停滯發展

  這些年其它電子元件雖然進步神速,但鋰離子電池的發展卻幾乎停滯不前,使用的化學成分和20年前一模一樣,這也是現在新型電池技術受到大家高度關注的原因。而鋰離子電池技術雖然有體積小、可充電、電壓高等等優點,但卻有能量密度和熱敏感性兩個方面的不足。

  能量密度決定了特定體積或重量的電池的運行時間。不幸的是,摩爾定律不適用於電池。自從首批鋰離子電池1991年進入市場以來,它們所驅動的設備晶體管數量增加了千百倍,但鋰離子電池的能量密度卻只提升了三倍。而增加能量密度的一個方法是提高封裝效率。比如,現在用於大多數智能手機的不可拆卸式袋裝鋰離子電池取消了可拆卸式電池 所需的保護殼,依靠智能手機外殼來進行保護,為真正儲存能量的活性物質提供更多空間。

手機空間的狹小使電池容量提升非常困難
手機空間的狹小使電池容量提升非常困難

  鋰離子電池的另一個缺陷是熱敏感性,它的化合物會和殘留水分發生化學反應,產生氫氟酸,這是最具腐蝕性的化合物。如同所有的化學反應一樣,溫度每提高10攝氏度,這個過程的速度就提高一倍,智能手機就會發燙。

  而量子電池對於智能手機而言,首先就解決了充電速度上的問題,其次它能量的高轉化率也使得鋰離子電池使用時間一長容量會縮減的問題得到改善。除此之外,安全性、環保這些量子電池特有的屬性,在當下安全事故頻發、電子垃圾增多的背景下也尤為重要。

量子電池的商用困境

  量子電池雖然優勢明顯,但要實際商用在手機中,還是有一個不能忽略的問題——能量密度。

量子電池
採用了高能量密度電的國產手機

  鋰離子電池雖然發展緩慢,能量密度增長乏力,但至今也發展出了700Wh/L能量密度以上的技術,而上文我們提到的battenice電池能量密度僅為500Wh/L,而且如果沒有技術性突破,能量密度很難大幅提高。意大利物理學家約翰·古爾德表示:“量子系統的儲電量比日常用電設備要小好幾個數量級。我們只是從理論上證明了在給一個系統輸入能量時,量子物理能帶來加速。”所以目前而言使用量子電池不但對續航的延長沒有幫助,反而會使手機的成本上昇,那自然不會有廠商願意選擇。

三星將推出750WhL的鋰電池
三星將推出750WhL的鋰電池

  另外,縱然鋰離子電池發展再緩慢,它畢竟是一項成熟的技術,成本低、風險小;同時,量子電池快速充電的特性在面對快充技術流行的當下也沒有壓倒性的優勢。

總結

  相比其他還停留在實驗室階段的電池技術,已經可以量產的量子電池的確讓大家看到了一絲突破的曙光,它擁有的充電快、高轉化、綠色環保特性保證了其未來寬廣的發展,但目前能量密度低的短板卻死死遏制了它用於移動設備上的可能性。

  但新技術的出現總歸是讓人喜聞樂見的,量子電池的研究人員也表示將進一步研究熱力學過程中的量子效應,以便更好地理解量子電池的潛在應用,所以對於量子技術我們依然可以抱有期待。

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