Of het nu om fotovoltaïsche energie of fusie gaat, vroeg of laat moet de menselijke beschaving overschakelen op hernieuwbare energiebronnen. Dit wordt als onvermijdelijk beschouwd, gezien de steeds groeiende vraag naar energie van de mensheid en de eindigheid van fossiele brandstoffen. Er is veel onderzoek gedaan om alternatieve energiebronnen te ontwikkelen, waarvan de meeste elektriciteit als belangrijkste energiedrager gebruiken. De uitgebreide O&O op het gebied van hernieuwbare energie gaat gepaard met geleidelijke maatschappelijke veranderingen, aangezien de wereld nieuwe producten en apparaten heeft aangenomen die op hernieuwbare energie werken. De meest opvallende verandering is de snelle adoptie van elektrische voertuigen. Terwijl ze tien jaar geleden nog maar zelden op de weg te zien waren, worden er nu jaarlijks miljoenen elektrische auto's verkocht. De markt voor elektrische auto's is een van de snelst groeiende sectoren.

In tegenstelling tot traditionele auto's, die energie halen uit de verbranding van koolwaterstofbrandstoffen, vertrouwen elektrische voertuigen op batterijen als opslagmedium voor hun energie. Lange tijd hadden batterijen een veel lagere energiedichtheid dan die van koolwaterstoffen, wat resulteerde in een zeer lage actieradius van vroege elektrische voertuigen. Door een geleidelijke verbetering van de batterijtechnologieën kon het rijbereik van elektrische auto's uiteindelijk binnen acceptabele niveaus blijven in vergelijking met auto's die op benzine rijden. Het is geen understatement dat de verbetering van de technologie voor batterijopslag een van de belangrijkste technische knelpunten was die moesten worden opgelost om de huidige revolutie in elektrische voertuigen op gang te brengen.

Ondanks de enorme verbeteringen in batterijtechnologie, hebben de hedendaagse consumenten van elektrische voertuigen echter te maken met een andere moeilijkheid:de lage laadsnelheid van de batterij. Momenteel hebben auto's ongeveer 10 uur nodig om thuis volledig op te laden. Zelfs de snelste superchargers aan de laadstations hebben tot 20 tot 40 minuten nodig om de voertuigen volledig op te laden. Dit zorgt voor extra kosten en ongemak voor de klanten.

Om dit probleem aan te pakken, zochten wetenschappers naar antwoorden op het gebied van de kwantumfysica. Hun zoektocht heeft geleid tot de ontdekking dat kwantumtechnologieën nieuwe mechanismen kunnen beloven om batterijen sneller op te laden. Quantum-batterijtechnologie werd voor het eerst voorgesteld in een baanbrekend artikel dat in 2012 werd gepubliceerd door Alicki en Fannes. Er werd getheoretiseerd dat kwantumbronnen, zoals verstrengeling, kunnen worden gebruikt om het oplaadproces van de batterij enorm te versnellen door alle cellen in de batterij tegelijkertijd op te laden in een collectieve manier.

Dit is bijzonder opwindend, aangezien moderne batterijen met een hoge capaciteit talrijke cellen kunnen bevatten. Een dergelijk collectief laden is niet mogelijk in klassieke batterijen, waarbij de cellen onafhankelijk van elkaar parallel worden opgeladen. Het voordeel van dit collectief versus parallel laden kan worden gemeten aan de hand van de verhouding die het kwantumlaadvoordeel wordt genoemd. Rond 2017 merkten onderzoekers dat er twee mogelijke bronnen achter dit kwantumvoordeel kunnen zijn, namelijk een wereldwijde operatie (waarbij alle cellen tegelijkertijd met alle anderen praten, d.w.z. "allemaal aan één tafel") en alles-naar-alles-koppeling ( dat wil zeggen, "veel discussies, maar elke discussie heeft slechts twee deelnemers"). Het is echter onduidelijk of beide bronnen nodig zijn en of er grenzen zijn aan de laadsnelheid die kan worden behaald.

Onlangs hebben wetenschappers van het Centre for Theoretical Physics of Complex Systems binnen het Institute for Basic Science (IBS) deze vragen verder onderzocht. De paper, die werd gekozen als Editors Suggestion in het tijdschrift Physical Review Letters , toonde aan dat alles-naar-alles-koppeling niet relevant is in kwantumbatterijen en dat de aanwezigheid van wereldwijde operaties het enige ingrediënt is in het kwantumvoordeel. De groep ging verder om de exacte bron van dit voordeel te lokaliseren, terwijl andere mogelijkheden werden uitgesloten en bood zelfs een expliciete manier om dergelijke batterijen te ontwerpen.

Bovendien kon de groep nauwkeurig kwantificeren hoeveel laadsnelheid in deze regeling kan worden bereikt. Hoewel de maximale laadsnelheid lineair toeneemt met het aantal cellen in klassieke batterijen, toonde het onderzoek aan dat kwantumbatterijen die wereldwijd werken, kwadratische schaling in laadsnelheid kunnen bereiken. Beschouw om dit te illustreren een typisch elektrisch voertuig met een batterij die ongeveer 200 cellen bevat. Het gebruik van dit kwantumladen zou leiden tot een snelheidswinst van 200 keer ten opzichte van klassieke batterijen, wat betekent dat de oplaadtijd thuis zou worden teruggebracht van 10 uur tot ongeveer 3 minuten. Bij hogesnelheidslaadstations zou de laadtijd worden teruggebracht van 30 minuten naar slechts enkele seconden.

Onderzoekers zeggen dat de gevolgen verstrekkend zijn en dat de implicaties van kwantumladen veel verder kunnen gaan dan elektrische auto's en consumentenelektronica. Het kan bijvoorbeeld belangrijke toepassingen vinden in toekomstige fusiecentrales, die grote hoeveelheden energie nodig hebben om in een oogwenk te worden opgeladen en ontladen. Of course, quantum technologies are still in their infancy and there is a long way to go before these methods can be implemented in practice. Research findings such as these, however, create a promising direction and can incentivize the funding agencies and businesses to further invest in these technologies. + Verder verkennen

Superabsorption unlocks key to next-generation quantum batteries