شارژ کوانتومی و افزایش سرعت شارژ خودروهای برقی

شارژ کوانتومی منجر به افزایش 200 برابری سرعت شارژ باتری‌های کلاسیک می‌شود. تعجب کردید؟

تحقیقات زیادی به منظور توسعه منابع جایگزین انرژی که اکثر آنها از برق به عنوان حامل اصلی انرژی استفاده می‌کنند، دنبال شده است.

تحقیق و توسعه گسترده در انرژی‌های تجدیدپذیر با تغییرات تدریجی اجتماعی همراه شده است، زیرا جهان محصولات و دستگاه‌های جدیدی را که بر روی انرژی‌های تجدیدپذیر کار می‌کنند، پذیرفته است.

بارزترین تغییر، پذیرش سریع خودروهای الکتریکی بوده است. در حالی که حتی 10 سال پیش به ندرت در جاده‌ها دیده می‌شد، اکنون سالانه میلیون‌ها خودروی برقی به فروش می‌رسد.

بازار خودروهای الکتریکی یکی از بخش هایی است که به سرعت در حال رشد است

برخلاف خودروهای سنتی که انرژی را از احتراق سوخت‌های هیدروکربنی دریافت می‌کنند، خودروهای الکتریکی به باتری‌ها به‌عنوان وسیله ذخیره‌سازی انرژی خود متکی هستند.

برای مدت طولانی، باتری‌ها چگالی انرژی بسیار کمتری نسبت به هیدروکربن‌ها داشتند که منجر به برد بسیار کم خودروهای الکتریکی اولیه شد.

با این حال، پیشرفت تدریجی در فناوری باتری در نهایت باعث شد تا محدوده حرکتی خودروهای الکتریکی در مقایسه با خودروهای بنزین سوز در سطح قابل قبولی قرار گیرد.

دست کم نمی‌گیریم که بهبود فناوری ذخیره‌سازی باتری یکی از گلوگاه‌های فنی اصلی بود که باید برای شروع انقلاب فعلی خودروهای الکتریکی حل می‌شد.

باتری‌های کوانتومی دستگاه‌هایی هستند که از حالت‌های کوانتومی ساخته شده‌اند و انرژی را به شیوه‌ای سریع و کارآمد ذخیره و آزاد می‌کنند و در نتیجه امکانات متعددی را در کاربردهای فناوری آینده ارائه می‌دهند.

آنها در مقایسه با باتری های کلاسیک، به دلیل امکان استفاده از عملیات شارژ درهم تنیده، سرعت شارژ قابل توجهی را ارائه می‌دهند.

ما نشان می‌دهیم که حداکثر سرعتی که می‌توان به دست آورد، در تعداد سلول‌ها گسترده است. برای رسیدن به چنین مقیاس بندی، باید از یک پروتکل شارژ جهانی استفاده شود، که همه سلول‌ها را به طور جمعی شارژ می‌کند.

این امر تلاش در مورد محدودیت‌های قدرت شارژ باتری‌های کوانتومی را به پایان می‌رساند و به نتایج دیگری می‌افزاید که در آن روش‌های کوانتومی حداکثر مقیاس درجه دوم را نسبت به همتایان کلاسیک خود ارائه می‌دهند.

مقاله علمی Ju-Yeon Gyhm, Dominik Šafránek, Dario Rosa با عنوان (مزیت شارژ کوانتومی بدون عملیات جهانی نمی‌تواند گسترده باشد) در پلتفورم اشتراک گذاری arXiv به رایگان در این خصوص مطالعه کنید.

با این حال، علیرغم پیشرفت های گسترده در فناوری باتری، مصرف کنندگان امروزی وسایل نقلیه الکتریکی با مشکل دیگری روبرو هستند: سرعت پایین شارژ باتری.

در حال حاضر، شارژ خودروها در خانه حدود 10 ساعت طول می‌کشد. حتی سریع‌ترین سوپرشارژرها در ایستگاه‌های شارژ به ۲۰ تا ۴۰ دقیقه برای شارژ کامل وسایل نقلیه نیاز دارند. این باعث ایجاد هزینه های اضافی و ناراحتی برای مشتریان می‌شود.

هیجان انگیز است، زیرا باتری‌های مدرن و با ظرفیت بالا می‌توانند، سلول های متعددی داشته باشند.

چنین شارژ جمعی در باتری های کلاسیک امکان پذیر نیست، جایی که سلول ها به طور موازی مستقل از یکدیگر شارژ می‌شوند.

مزیت این شارژ جمعی در مقابل شارژ موازی را می‌توان با نسبتی به نام مزیت شارژ کوانتومی اندازه گیری کرد.

اخیراً دانشمندان مرکز فیزیک نظری سیستم‌های پیچیده در مؤسسه علوم پایه (IBS) بیشتر در این مورد بررسی کردند.

اخیرا مقاله به پیشنهاد ویراستاران در مجله Physical Review Letters انتخاب شد، که نشان داد all-to-all coupling در باتری‌های کوانتومی بی‌ربط است و the presence of global operations تنها عنصر مزیت کوانتومی است.

این گروه فراتر رفت تا منبع دقیق این مزیت را مشخص کند و در عین حال هرگونه احتمال دیگری را رد کرد و حتی راهی صریح برای طراحی چنین باتری هایی ارائه کرد.

علاوه بر این، این گروه توانستند به طور دقیق مقدار سرعت شارژ را در این طرح به دست آورد. در حالی که حداکثر سرعت شارژ به صورت خطی با تعداد سلول‌های باتری‌های کلاسیک افزایش می‌یابد، این مطالعه نشان داد، که باتری‌های کوانتومی با استفاده از عملیات سراسری می‌توانند به مقیاس درجه دوم در سرعت شارژ دست یابند.

شارژ کوانتومی

برای نشان دادن این موضوع، یک وسیله نقلیه الکتریکی معمولی با باتری حاوی حدود 200 سلول را در نظر بگیرید.

استفاده از این شارژ کوانتومی منجر به افزایش 200 برابری باتری های کلاسیک می‌شود، به این معنی که زمان شارژ در خانه از 10 ساعت به حدود 3 دقیقه کاهش می یابد.

در ایستگاه‌های شارژ پرسرعت، زمان شارژ از 30 دقیقه به چند ثانیه کاهش می‌یابد.

محققان می‌گویند که پیامدهای آن بسیار گسترده است و پیامدهای شارژ کوانتومی می‌تواند فراتر از خودروهای الکتریکی و لوازم الکترونیکی مصرفی باشد.

به عنوان مثال، ممکن است کاربردهای کلیدی در نیروگاه‌های fusion آینده پیدا کند، که نیاز به مقادیر زیادی انرژی برای شارژ و تخلیه در یک لحظه دارند.

البته فناوری‌های کوانتومی هنوز در مراحل ابتدایی خود هستند و تا اجرای عملی این روش‌ها راه زیادی در پیش است.

با این حال، یافته‌های تحقیقاتی از این دست، مسیر امیدوارکننده‌ای را ایجاد می‌کند و می‌تواند سازمان‌های سرمایه‌گذاری و کسب‌وکارها را برای سرمایه‌گذاری بیشتر در این فناوری‌ها تشویق کند.

منبع: PHYS – MAR 21, 2022