23 марта 2022

Ученые из Центра теоретической физики сложных систем Института фундаментальных наук (IBS, Республика Корея) нашли способ сократить время зарядки электромобиля в 200 раз. Для этого они использовали квантовые батареи. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Потребности человечества в энергии постоянно растут, в то время как запасы ископаемого топлива ограничены. Сегодня активно внедряются новые продукты и устройства, работающие на возобновляемых источниках энергии. Если 10 лет назад электромобили на дорогах было трудно представить, то сейчас они ежегодно продаются миллионами. Рынок электромобилей — один из самых быстрорастущих секторов на рынке.

В отличие от традиционных автомобилей, которые получают энергию от сжигания углеводородного топлива, в электромобилях используются батареи. Долгое время они имели гораздо меньшую плотность энергии, чем углеводороды, поэтому дальность пробега первых электромобилей была очень малой. Постепенно аккумуляторные технологии совершенствовались. Сегодня дальность пробега электромобилей сопоставима с дальностью пробега автомобилей, работающих на бензине.

Однако водители электромобилей сталкиваются с еще одной трудностью — медленной скоростью зарядки аккумуляторов: в домашних условиях для этого потребуется около 10 часов. Даже самым быстрым нагнетателям, системам станций быстрой зарядки постоянным током, требуется 20–40 минут для полной зарядки транспортного средства. Это приводит к дополнительным расходам и неудобствам для клиентов.

Решение этой проблемы ученые нашли в области квантовой физики. Процесс зарядки механизмов может быть значительно ускорен благодаря квантовой батарее. Современные аккумуляторы большой емкости, как правило, содержат множество элементов-ячеек. Применение квантовых технологий может обеспечить зарядку всех элементов аккумулятора одновременно. Такая коллективная зарядка невозможна в классических батареях, где элементы заряжаются параллельно независимо друг от друга.

В ходе исследования ученые теоретически выяснили, какое преимущество дает квантовая зарядка, и предложили конкретный способ проектирования таких батарей. Кроме того, группа смогла точно определить, какой скорости зарядки можно достичь.

В то время как в классических батареях максимальная скорость зарядки увеличивается линейно с увеличением количества элементов, квантовые батареи могут достигать квадратичного масштабирования скорости зарядки благодаря «глобальной операции» (авторы исследования называют так явление, когда все ячейки одновременно связаны друг с другом).

Таким образом, для типичного электромобиля с аккумулятором, содержащим около 200 ячеек, использование квантовой зарядки ускорит процесс зарядки в 200 раз. Время зарядки в домашних условиях сократится с 10 часов до примерно 3 минут. На высокоскоростных зарядных станциях время зарядки сократится с 30 минут до нескольких секунд.

Исследователи говорят, что применение квантовой зарядки может выходить далеко за рамки электромобилей и бытовой электроники. Например, квантовая зарядка может найти широкое применение в будущих термоядерных электростанциях.

Конечно, квантовые технологии все еще находятся в зачаточном состоянии, и предстоит пройти долгий путь, прежде чем эти методы смогут быть реализованы на практике. Однако результаты исследований указывают, что это крайне перспективное направление, на которое стоит обратить внимание инвесторам.