Energie
Erster Prototyp einer Quantenbatterie schafft neue Form der Energiespeicherung
Wenn es um die Speicherung von Energie geht, sind die Hauptmethoden ziemlich einheitlich. Die gebräuchlichste ist die Nutzung einer chemischen Reaktion, meist unter Verwendung eines sehr elektroaktiven Elements wie Lithium, das die elektrische Energie speichert, indem es Elektronen von einem Metall zu einem Ion und umgekehrt bewegt.
Eine weitere Möglichkeit, Energie zu speichern, sind Ultrakondensatoren, die die elektrische Ladung direkt an der Oberfläche eines Materials wie Graphen speichern. Schließlich kann Energie in Form von Wärme oder Bewegung gespeichert werden, etwa in Wärmespeichern und Schwungrädern.
Es scheint jedoch, dass eine neue Methode von australischen Forschern der Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation (CSIRO), der RMIT University und der University of Melbourne zu den potenziellen Formen der Energiespeicherung hinzugefügt wurde.
Sie stellten einen frühen Prototyp einer „Quantenbatterie“ vor, die quantenmechanische Effekte nutzt, anstatt elektrische Ladung, chemische Reaktion oder Wärme & Bewegung, um Energie zu speichern. Sie beschrieben ihre Ergebnisse in einem wissenschaftlichen Artikel, der in der renommierten Zeitschrift Light Sciences & Applications1 veröffentlicht wurde, mit dem Titel „Superextensive electrical power from a quantum battery“.
Was ist eine Quantenbatterie?
Anstelle von chemischer und/oder elektrischer Ladung nutzen Quantenbatterien die eher kontraintuitiven Prinzipien der Quantenmechanik, einschließlich Superposition und Verschränkung.
Verschränkung ist ein Phänomen, bei dem zwei oder mehr Teilchen so tief miteinander verbunden werden, dass sie einen einzigen Quantenzustand teilen, unabhängig von der zwischen ihnen liegenden Distanz.
Bisher wurde diese Idee theoretisch umfassend untersucht, jedoch gibt es nur sehr wenige praktische Experimente, die das Konzept in der realen Welt testen.
Die zentrale Idee des von den Forschern entwickelten Prototyps ist ein System, das als Mikrokavität bezeichnet wird und Licht einfangen und anschließend in Strom umwandeln kann. In diesem Fall nutzten die Forscher Fabry‑Pérot‑Kavitäten, ein „Sandwich“, bei dem Licht zwischen zwei parallelen Spiegeln reflektiert, das bereits für viele Anwendungen in Betracht gezogen wird, beispielsweise beim Bau neuer Sensortypen.
Quelle: Applied Physics B
Ein weiteres Schlüsselkonzept ist die Superabsorption von Energie aus Licht, das Gegenphänomen zur Superstrahlung. Superabsorption ist ein quantenmechanisches Phänomen, bei dem eine Gruppe von Atomen oder Molekülen Licht kollektiv mit einer Rate absorbiert, die schneller ist als die Summe ihrer individuellen Absorptionsraten.
Statt also wie bei normalem Material einfach zu addieren, steigt die Absorptionskapazität exponentiell.
Infolgedessen kann eine Ansammlung von Teilchen theoretisch Licht bis zu zehnmal schneller absorbieren als unabhängige Teilchen, was ein Potenzial für extrem schnelle Energieübertragung bietet. Das wäre natürlich sehr nützlich für ein Batteriesystem.
In der Praxis ist es schwierig, Superabsorption in praktischen Aufbauten aufrechtzuerhalten, da natürliche Systeme eher Lichtemission als Absorption begünstigen.
Erster Prototyp einer Quantenbatterie
Die Forscher nutzten ein Design, das als mehrschichtige Mikrokavität bezeichnet wird und Kupferphthalocyanin (CuPc) verwendet, ein leuchtend blauer synthetischer Farbstoff, der häufig als organischer Halbleiter in OLEDs und Solarzellen eingesetzt wird.
Quelle: Light Sciences & Applications
Dies erzeugt eine starke Licht‑Materie‑Kopplung, also die Wechselwirkung zwischen Licht und einem erzeugten elektrischen Strom.
„Beim Laden wird die Energie schnell in einen metastabilen Triplett‑Zustand in CuPc übertragen, dessen Besetzung um sechs Größenordnungen länger anhält als der Ladungs‑Laser‑Impuls. Die elektrische Entnahme wird durch Ladungstransport‑Schichten erleichtert, die sowohl einen Energiewiderstand einführen, der die Ladungstrennung und den Transport begünstigt.“
Wichtig ist, dass dieses Design eine elektrische Leistungsabgabe erzeugt, die superextensiv (Superabsorption + Superstrahlung) mit der Kapazität der Batterie skaliert. Je mehr dieses Material gleichzeitig vorhanden ist, desto schneller kann die elektrische Entladung erfolgen.
„Unsere Ergebnisse bestätigen einen grundlegenden quantenmechanischen Effekt, der völlig kontraintuitiv ist: Quantenbatterien laden schneller, je größer sie werden. Heutige Batterien funktionieren nicht so.“
Erste Ergebnisse der Quantenbatterie
Der Prototyp zeigte die erste experimentelle Beobachtung einer superextensiven stationären elektrischen Entladeleistung, ein von der Quantentheorie nicht vorhergesagtes Phänomen, das jedoch offensichtliches Anwendungspotenzial in Quantenbatterien bietet.
Genauer gesagt haben sie mit ultrafast‑Spektroskopiemethoden das Ladeverhalten der Batterie gemessen. Sie stellten fest, dass die Quantenbatterie die gespeicherte Energie um sechs Größenordnungen länger (sechs Nullen) behielt, als zum Laden benötigt wurde.
„Wir haben ein Gerät demonstriert, das geladen werden kann, diese Energie speichert und dann entlädt. Dies ist eine spannende Entwicklung in einem schnell wachsenden interdisziplinären Feld. Hoffentlich werden Quantenbatterien bald nicht mehr nur eine theoretische Idee sein, sondern etwas, das im Labor gebaut werden kann.“
Sie zeigten außerdem, dass die Mikrokavitäten sowohl mit kohärentem Licht (Laser) als auch mit „normalem“ Licht geladen werden können, wodurch sie flexibel genug für praktische Anwendungen über potenzielle Batterien hinaus sind.
Hin zu praktischen Quantenbatterien
Stabilisierung der gespeicherten Energie
Bisher kann eine Mikrokavität im Experiment die Energie nur für 50 Nanosekunden stabil halten, was für praktische Anwendungen in der Energiespeicherung kaum ausreicht.
Dies ist jedoch ein Schritt in die richtige Richtung, da dies drei Größenordnungen länger ist als der aktuelle Stand der Technik bei Mikrokavitäts‑Quantenbatterien, die bei Raumtemperatur betrieben werden. Und ein größeres System wird wahrscheinlich in jedem Fall eine deutlich längere Energiespeicherungsdauer haben, selbst ohne ein verbessertes Design.
Die Energieentnahme wurde getestet, die Geräte zeigten vernünftige maximale Entladungsleistungsdichten zwischen 10‑40 Mikrowatt/cm2, ein durchaus respektables Ergebnis im Vergleich zu Hochleistungs‑Mikrosuperkondensatoren, die selbst 30‑175 Mikrowatt/cm2 erreichen können.
Zusätzlich wurde diese Leistung bei Raumtemperatur unter normalen Bedingungen erreicht, eine seltene Situation bei Quantenphänomenen, die häufig ultrakalte Temperaturen oder hohen Druck erfordern, wie zum Beispiel Supraleitung.
Da dieser Prototyp einen skalierbaren Weg zu einer großen Energiespeicherkapazität demonstriert, stellt er einen soliden ersten Schritt hin zu nutzbaren Quantenbatterien dar.
Die nächsten Schritte
Der nächste zu verbessernde Punkt wird sein, das Design zu skalieren und zu messen, wie stark die Superabsorption die Leistung in der Praxis mit mehr Mikrokavitäten im selben Gerät steigert.
Ein weiterer wichtiger Schritt wird sein, zu versuchen, die Dauer der Energiespeicherung radikal zu erhöhen. Größere Geräte, kältere Temperaturen oder eine spezielle Gitterstruktur könnten dabei helfen.
„Während noch viel Arbeit in der Quantenbatterie‑Forschung zu erledigen ist, haben wir einen wichtigen Schritt in Richtung Realisierung der Möglichkeiten gemacht. Der nächste Schritt für Quantenbatterien besteht derzeit darin, ihre Energiespeicherdauer zu verlängern. Wenn wir dieses Hindernis überwinden können, wären wir dem kommerziell nutzbaren Quantenbatterien ein Stück näher.“
Langfristig könnte eine solche Batterie chemiebasierte Batterien übertreffen, oder zumindest Superkondensatoren, die zunehmend zusammen mit chemischen Batterien in schweren Maschinen, Elektro‑Lkw usw. eingesetzt werden.
Sie könnten auch potenziell als solide Relais/ Puffer dienen, um eine Standardbatterie schneller zu laden, oder die Grundlage für neue, effizientere Solarpanels bilden.
„Mein ultimatives Ziel ist eine Zukunft, in der wir Elektroautos viel schneller als Benzinautos aufladen können, oder Geräte über weite Entfernungen drahtlos laden.“
Das durch diesen Prototyp aufgedeckte Phänomen könnte über Quantenbatterien hinaus nutzbar sein. Beispielsweise könnte es zur Schaffung neuartiger Licht‑zu‑Strom‑Geräte, einschließlich photovoltaischer Systeme, verwendet werden.
Investitionen in Quantenbatterien
QuantumScape
(QS )
Da dieser Quantenbatterie‑Prototyp der allererste seiner Art ist, gibt es noch keinen direkten Weg, in dieses Konzept zu investieren. Doch der Fortschritt in der Batterietechnologie ist schnell, und die vollständige Umstellung von Verbrennungsfahrzeugen auf Elektrofahrzeuge wird in kurzer Zeit immer wahrscheinlicher, da Elektrofahrzeuge bald mehr Leistung, größere Reichweite und geringere Betriebskosten haben werden. Und das war, bevor ein großer Ölpreisschock am Horizont durch den Krieg mit dem Iran drohte.
Ein wesentlicher Teil dieser Entwicklung sind Festkörperbatterien, ein Design, das das normalerweise in Lithium‑Ion‑Batterien verwendete Elektrolyt entfernt und die Batterie dadurch deutlich dichter und sicherer macht.
Ein führendes Unternehmen in diesem Bereich ist QuantumScape, ein 2010 gegründetes Unternehmen, das in einer engen Partnerschaft mit der Volkswagen Group steht, um dem weltweit zweitgrößten Automobilhersteller beim Aufholen in der EV‑Technologie zu helfen.
Quelle: QuantumScape
Unter der Vereinbarung von 2024, kann PowerCo (die Batteriedepartement von Volkswagen) bis zu 40 Gigawattstunden pro Jahr an Elektrofahrzeugbatterien herstellen, mit der Option, auf 80 GWh pro Jahr zu erweitern. Es ermöglicht außerdem, dass Volkswagen bis zu zusätzliche 5 GWh an Reservekapazität, die QuantumScape jedes Jahr hat, für Kunden außerhalb der Volkswagen Group bereitstellt, sowie das Recht, bestimmte zukünftige QS‑Technologien zu lizenzieren.
Im Jahr 2025 wurde eine QuantumScape‑Batterie in ein hochwertiges elektrisches Ducati‑Motorrad integriert. Ducati ist Teil der Volkswagen‑Gruppe, zusammen mit Automarken wie Audi, Bentley, CUPRA, Lamborghini, Porsche, SEAT und Škoda.
Das Batteriedesign von QuantumScape ist extrem energiedicht, deutlich höher als die besten Lithium‑Ion‑Designs, die von Tesla verwendet werden, und lädt 2‑3 mal schneller, wodurch das langsame Laden von Elektrofahrzeugen, ein großes Problem für viele Verbraucher, die an Benzinautos gewöhnt sind, gelöst wird.
Quelle: QuantumScape
Mit einem kurzen Zeitrahmen bis zur Kommerzialisierung und einer gefestigten Partnerschaft mit einer Automobilgruppe, die jährlich Millionen von Autos verkauft, ist QuantumScape gut positioniert, einer der führenden Batterielieferanten für westliche Hersteller zu werden, wobei die Konkurrenz entweder chinesische Batteriefirmen wie CATL oder relativ neue Unternehmen wie Donut Labs sind.
Derzeit wird die Massenproduktion seiner Batterie hochgefahren, wobei das Ducati‑Motorrad nur die technologische Demonstration ist, bevor eine neue Reihe von Elektrofahrzeugen von Porsche, Audi und anderen Automarken, die mit QuantumScape‑Batterien ausgestattet sind, den Markt erobert.
(Sie können mehr über QuantumScape und sein Festkörperbatterie-Design in unserem Investmentbericht, der dem Unternehmen gewidmet ist und über Volkswagen und seine EV‑Strategie in diesem anderen dedizierten Bericht.)
Neueste QuantumScape (QS) Nachrichten & Entwicklungen
Referenzierte Studie
1. Hymas, K., Muir, J.B., Tibben, D. et al. Superextensive electrical power from a quantum battery. Light Sciences & Applications 15, 168 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-026-02240-6 auf Deutsch.
