閱讀要點

• 量子物理如何為非化學(xué)電池開辟可行技術(shù)路徑

• 科研團隊如何試制出首款量子電池原型

• 原型機實測取得的關(guān)鍵研究成果

澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織（CSIRO）、皇家墨爾本理工大學(xué)（RMIT）與墨爾本大學(xué)聯(lián)合組成三人科研團隊，成功研發(fā)出概念驗證級量子電池，可實現(xiàn)充電、儲能與釋能完整工作循環(huán)。

量子電池：儲能領(lǐng)域的潛在顛覆性技術(shù)？

這套全新技術(shù)有望實現(xiàn)超快充電與更大儲能容量，是研發(fā)實用化非化學(xué)電池技術(shù)的重要里程碑。團隊表示，該原型機是目前最接近可商用實用量子電池的研究進展。

其原理依托成熟量子物理理論，多數(shù)特性違背直覺、看似與經(jīng)典物理相悖，但在現(xiàn)代物理體系中擁有獨立理論框架。

盡管具備完整功能的量產(chǎn)量子電池尚未問世，但研究人員認(rèn)為，此類突破未來或?qū)氐字厮苋蚰茉创鎯εc利用模式。

（注：幾乎所有電池技術(shù) “重大突破” 的報道中，都常見這類樂觀前景預(yù)判。）

量子電池還有一項獨特特性。團隊成員、博士生丹尼爾?蒂本恩表示，研究發(fā)現(xiàn)了一項意料之外的優(yōu)勢：

“我們研究證實，量子電池體積越大，充電速度反而越快，這與現(xiàn)有所有傳統(tǒng)電池的特性完全相反。”

他補充道：“這意味著量子電池未來有潛力全面超越傳統(tǒng)儲能技術(shù)?！?/p>

（又是一項基于早期實驗室演示給出的樂觀技術(shù)前景預(yù)測。）

量子電池工作原理

傳統(tǒng)電池大多依靠化學(xué)反應(yīng)儲能放電，而量子電池依托量子疊加態(tài)，以及光與電子之間的相互作用實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。

超廣延性（Superextensivity） 是其核心特性：物理系統(tǒng)的響應(yīng)能力隨尺寸呈現(xiàn)超線性增長。該效應(yīng)源于集體量子作用，為下一代量子技術(shù)升級提供了全新方向。

研究團隊采用微腔量子電池作為實驗載體。借助超廣延效應(yīng)，從聚焦光源中捕獲光能；同時在諧振微腔內(nèi)部集成電荷傳輸層，將光能直接轉(zhuǎn)化為電流。

這一架構(gòu)首次實現(xiàn)了量子電池完整的充放電循環(huán)。

在量子電池中，量子糾纏可以減少充電過程中量子態(tài)的躍遷數(shù)量，也能激發(fā)集體量子效應(yīng)，增強電池與能源之間的耦合效率。

理論上，量子電池具備奇異物理特性：充電功率增速超過電池容量增速，這就是前述的超廣延性。

實驗證實：微腔引發(fā)的強光 - 物質(zhì)耦合，能在低強度非相干光照條件下，讓穩(wěn)態(tài)放電功率呈現(xiàn)超廣延增長特性。

該成果首次在穩(wěn)態(tài)工況下實驗驗證了超廣延光 - 電能量轉(zhuǎn)換，證明利用強光 - 物質(zhì)耦合，可在弱光環(huán)境下大幅提升能量采集效率。

圖2為強光 - 物質(zhì)耦合優(yōu)化的量子電池結(jié)構(gòu)

原型機結(jié)構(gòu)與設(shè)計原理

團隊研發(fā)的原型機為小型層狀有機器件，可通過激光實現(xiàn)無線充電。

這是全球首臺具備完整功能的概念驗證量子電池，由澳大利亞 CSIRO 聯(lián)合墨爾本大學(xué)、皇家墨爾本理工大學(xué)共同研制。

電池采用多層微腔結(jié)構(gòu)設(shè)計，諧振頻率精準(zhǔn)匹配吸收分子酞菁銅（CuPc） 的基態(tài)至第一激發(fā)單重態(tài)躍遷，從而形成強光 - 物質(zhì)耦合效應(yīng)。

電荷傳輸層構(gòu)建能級梯度，促進電荷分離與定向傳輸；同時具備電荷阻擋功能，抑制不必要的電荷復(fù)合損耗。

在穩(wěn)態(tài)非相干光源照射下，強光 - 物質(zhì)耦合可使電池放電功率隨容量呈超廣延增長。

實驗演示與測試結(jié)果

為驗證量子電池的電能輸出優(yōu)勢，團隊測算并繪制了外量子效率（EQE），即逸出電子數(shù)與入射光子數(shù)的比值曲線。

對比測試顯示：量子電池的光電轉(zhuǎn)換效率是對照組普通器件的 3 倍。

研究還實測了器件放電功率，繪出代表性樣機 D5 及其無諧振腔對照組的電流 - 電壓（I-V）特性曲線、穩(wěn)態(tài)放電功率曲線。

放電功率曲線峰值點，即為能量提取的最佳工作工況。

實測數(shù)據(jù)顯示，該量子電池最大放電功率密度區(qū)間為 10–40 微瓦 / 平方厘米；對標(biāo)高性能微型超級電容（功率密度 30.2–176.5 微瓦 / 平方厘米），性能處于合理可比區(qū)間。

這項研究涉及極為晦澀深奧的量子物理細(xì)節(jié)，包含達(dá)維多夫分裂電子態(tài)等專業(yè)理論，相關(guān)制備、測試設(shè)備也高度專業(yè)小眾，與常規(guī)光電、光子器件研發(fā)設(shè)備完全不同。

研究團隊指出，過往量子電池研究多停留在理論層面，實驗實證成果十分稀缺。

本研究首次完整實驗演示了量子電池全工作循環(huán)：從超吸收、光能亞穩(wěn)態(tài)儲能，到以超廣延方式將能量轉(zhuǎn)化為電流輸出。

團隊稱，該原型機是量子電池技術(shù)發(fā)展進程中具有決定性意義的關(guān)鍵突破。