雷声大雨点小?量子电池会照进现实吗?

2015-08-22 00:15  出处:PConline原创  作者:笛吹川   责任编辑:wangliang1 

  【PConline 杂谈】在一年一度的换机潮中,CPU、GPU、相机、RAM、ROM都是厂商们爱大做文章的地方,也是近些年变化、进步最大的地方。相较之下,电池技术进步就有些相形见绌了,每年大概只有10%能量密度上的提升,厂商介绍时也只能用索尼/三星的电芯来烘托出高大上的感觉。在实际的用户体验中,电池续航也成了明显的短板,毕竟续航不够,性能再强也是白搭。

量子电池

  近些年各种快速充电技术层出不穷,但电池本身在商用层面却没有什么突破。虽然有石墨烯电池、“鸡蛋”电池、锂阳极电池、硅电池等等各种具有科幻色彩的电池技术已经被新闻报道过,但投向市场却遥遥无期,不少相关的新闻下都是网友“何时可用”的吐槽。近期,又有来自英国、意大利等四国的物理学家在英国物理学会刊物《新物理学》杂志上提出了“量子电池”的概念,以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,充电比传统锂电池更快。今天,我们就量子电池聊聊手机电池技术这些事。

量子电池的前世今生

  说起量子电池,这并不是近期才被科学家发现的新技术。早在2012年,波兰格但斯克大学的Robert Alicki和比利时鲁汶大学的Mark Fannes就声称,人类可以利用量子纠缠技术制造出接近100%能量转换率的量子电池。

量子电池的本质是量子纠缠

  具体而言,就是一个量子系统具有一个量子态,某些物质的量子态拥有一些可以使其返回被动、中立状态的微量能量,而这些能量是可以人为提取出来的。两位科学家谈到,他们能够由此建立一个充满丰富能量的量子态的量子电池,而在能量耗尽后又可以通过充电来使他们恢复。

量子电池的本质是量子纠缠

  更重要的是,两位科学家认为可以利用量子纠缠来设计一个更高效的量子电池。这种电池可以通过任意数量的量子连接在一起,从而可以大量汲取能量,如果有足够多的量子纠缠,这种电池将会是完美的——它在充电或放电时将不会有任何的损失。

  当然,当时提到的量子电池只是建立在理论层面的。到了2014年,日本的Micronics Japan公司与Guala Technology公司共同开发了名为“battenice”量子电池,它的放电特性和化学电池一样可保持一定电压,实现1.5V电压、500Wh/L能量密度、8000W/L输出功率密度,充放电寿命(维持在初期容量的90%以上时)为10万次,工作温度范围-25~+85℃。

battenice电池的工作原理
battenice电池的工作原理

  在Micronics Japan公司的介绍中,battenice电池有以下优点主要有6点::全固体构造,无需担心漏液;因不使用可燃性材料,无需担心过热起火;不使用稀有金属和稀土材料,无需担心资源短缺;不使用环境负荷高的物质,有利于环保;充放电寿命长(加速试验已证实可充放电1万次以上,现正以10万次为目标开发),有利于减少废弃物;输出功率密度与电容器比肩。最重要的是,battenice电池在当年就实现了量产。

  总体而言,量子电池最大的好处一是充电快,二是能量转化率高。

锂电池的停滞发展

  这些年其它电子元件虽然进步神速,但锂离子电池的发展却几乎停滞不前,使用的化学成分和20年前一模一样,这也是现在新型电池技术受到大家高度关注的原因。而锂离子电池技术虽然有体积小、可充电、电压高等等优点,但却有能量密度和热敏感性两个方面的不足。

  能量密度决定了特定体积或重量的电池的运行时间。不幸的是,摩尔定律不适用于电池。自从首批锂离子电池1991年进入市场以来,它们所驱动的设备晶体管数量增加了千百倍,但锂离子电池的能量密度却只提升了三倍。而增加能量密度的一个方法是提高封装效率。比如,现在用于大多数智能手机的不可拆卸式袋装锂离子电池取消了可拆卸式电池 所需的保护壳,依靠智能手机外壳来进行保护,为真正储存能量的活性物质提供更多空间。

手机空间的狭小使电池容量提升非常困难
手机空间的狭小使电池容量提升非常困难

  锂离子电池的另一个缺陷是热敏感性,它的化合物会和残留水分发生化学反应,产生氢氟酸,这是最具腐蚀性的化合物。如同所有的化学反应一样,温度每提高10摄氏度,这个过程的速度就提高一倍,智能手机就会发烫。

  而量子电池对于智能手机而言,首先就解决了充电速度上的问题,其次它能量的高转化率也使得锂离子电池使用时间一长容量会缩减的问题得到改善。除此之外,安全性、环保这些量子电池特有的属性,在当下安全事故频发、电子垃圾增多的背景下也尤为重要。

量子电池的商用困境

  量子电池虽然优势明显,但要实际商用在手机中,还是有一个不能忽略的问题——能量密度。

量子电池
采用了高能量密度电的国产手机

  锂离子电池虽然发展缓慢,能量密度增长乏力,但至今也发展出了700Wh/L能量密度以上的技术,而上文我们提到的battenice电池能量密度仅为500Wh/L,而且如果没有技术性突破,能量密度很难大幅提高。意大利物理学家约翰·古尔德表示:“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。”所以目前而言使用量子电池不但对续航的延长没有帮助,反而会使手机的成本上升,那自然不会有厂商愿意选择。

三星将推出750WhL的锂电池
三星将推出750WhL的锂电池

  另外,纵然锂离子电池发展再缓慢,它毕竟是一项成熟的技术,成本低、风险小;同时,量子电池快速充电的特性在面对快充技术流行的当下也没有压倒性的优势。

总结

  相比其他还停留在实验室阶段的电池技术,已经可以量产的量子电池的确让大家看到了一丝突破的曙光,它拥有的充电快、高转化、绿色环保特性保证了其未来宽广的发展,但目前能量密度低的短板却死死遏制了它用于移动设备上的可能性。

  但新技术的出现总归是让人喜闻乐见的,量子电池的研究人员也表示将进一步研究热力学过程中的量子效应,以便更好地理解量子电池的潜在应用,所以对于量子技术我们依然可以抱有期待。

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