Το Πρώτο Πρωτότυπο Κβαντικής Μπαταρίας Δημιουργεί Νέα Μορφή Αποθήκευσης Ενέργειας

Όταν πρόκειται για αποθήκευση ενέργειας, οι κύριες μέθοδοι είναι μάλλον συνεπείς. Η πιο κοινή είναι η χρήση χημικής αντίδρασης, συνήθως με ένα πολύ ηλεκτροδραστικό στοιχείο, όπως το λίθιο, το οποίο αποθηκεύει την ηλεκτρική ενέργεια μετακινώντας ηλεκτρόνια από ένα μέταλλο σε ένα ιόν και αντίστροφα.

Άλλη μέθοδος αποθήκευσης ενέργειας είναι οι υπερπυκνωτές, που αποθηκεύουν το ηλεκτρικό φορτίο στην επιφάνεια ενός υλικού όπως το γραφέν απευθείας. Τέλος, η ενέργεια μπορεί να αποθηκευτεί με τη μορφή θερμότητας ή κίνησης, όπως σε θερμικές μπαταρίες και ροδάκια μάζας.

Ωστόσο, φαίνεται ότι μια νέα μέθοδος μόλις προστέθηκε στις πιθανές μορφές αποθήκευσης ενέργειας από Αυστραλούς ερευνητές του Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation (CSIRO), του Πανεπιστημίου RMIT και του Πανεπιστημίου Μελβούρνης.

Αποκάλυψαν ένα πρώιμο πρωτότυπο μιας «κβαντικής μπαταρίας», η οποία αξιοποιεί κβαντικά φαινόμενα αντί του ηλεκτρικού φορτίου, της χημικής αντίδρασης ή της θερμότητας & κίνησης για την αποθήκευση ενέργειας. Παρουσίασαν τα ευρήματά τους σε ένα επιστημονικό άρθρο που δημοσιεύτηκε στην αξιόλογη επισκόπηση Light Sciences & Applications¹, υπό τον τίτλο “Superextensive electrical power from a quantum battery”.

Τι Είναι Μια Κβαντική Μπαταρία;

Αντί της χημικής και/ή του ηλεκτρικού φορτίου, οι κβαντικές μπαταρίες χρησιμοποιούν τις αρκετά αντισυμβατικές αρχές της κβαντικής μηχανικής, συμπεριλαμβανομένων της υπέρθεσης και της εμπλοκής.

Η εμπλοκή είναι ένα φαινόμενο όπου δύο ή περισσότερα σωματίδια συνδέονται τόσο βαθιά που μοιράζονται μια ενιαία κβαντική κατάσταση, ανεξάρτητα από την απόσταση που τα χωρίζει.

Μέχρι στιγμής, αυτή η ιδέα έχει διερευνηθεί εκτενώς στη θεωρία, αλλά με πολύ λίγα πρακτικά πειράματα που δοκιμάζουν το concept στον πραγματικό κόσμο.

Η βασική ιδέα του πρωτοτύπου που ανέπτυξαν οι ερευνητές είναι ένα σύστημα που ονομάζεται μικροκάψουλα, η οποία μπορεί να παγιδεύσει φως και στη συνέχεια να το μετατρέψει σε ηλεκτρισμό. Σε αυτήν την περίπτωση, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν κάπες Fabry‑Pérot, ένα «σάντουιτς» όπου το φως αντανακλάται μεταξύ δύο παράλληλων καθρεπτών, το οποίο ήδη θεωρείται για πολλές εφαρμογές, όπως η κατασκευή νέων τύπων αισθητήρων.

Πηγή: Applied Physics B

Ένα άλλο κλειδί είναι η υπεραπορρόφηση ενέργειας από το φως, το αντίστροφο φαινόμενο της υπερακτινοβολίας. Η υπεραπορρόφηση είναι ένα κβαντικό φαινόμενο όπου μια ομάδα ατόμων ή μορίων απορροφά φως συλλογικά με ρυθμό ταχύτερο από το άθροισμα των ατομικών ρυθμών απορρόφησης.

Έτσι, αντί να προστίθενται όπως σε κανονικά υλικά, η ικανότητα απορρόφησης αυξάνεται εκθετικά.

Ως αποτέλεσμα, μια συλλογή σωματιδίων μπορεί θεωρητικά να απορροφήσει φως έως και 10 φορές πιο γρήγορα από ανεξάρτητα σωματίδια, προσφέροντας δυνατότητα για εξαιρετικά γρήγορη μεταφορά ενέργειας. Το οποίο, φυσικά, θα ήταν πολύ χρήσιμο για ένα σύστημα μπαταρίας.

Στην πράξη, η υπεραπορρόφηση είναι δύσκολο να διατηρηθεί σε πρακτικές διατάξεις, καθώς τα φυσικά συστήματα τείνουν να προτιμούν την εκπομπή φωτός αντί της απορρόφησης.

Πρώτο Πρωτότυπο Μιας Κβαντικής Μπαταρίας

Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ένα σχέδιο που ονομάζεται πολυστρωματική μικροκάψουλα, χρησιμοποιώντας χαλκό φθολοκυανίνη (CuPc), ένα φωτεινό μπλε συνθετικό χρωστικό που χρησιμοποιείται συνήθως ως οργανικό ημιαγωγό σε OLEDs και ηλιακά κύτταρα.

Πηγή: Light Sciences & Applications

Αυτό δημιουργεί ισχυρή σύζευξη φωτός‑υλικού, ή την αλληλεπίδραση μεταξύ φωτός και παραγόμενου ηλεκτρικού ρεύματος.

«Κατά τη φόρτιση, η ενέργεια μεταφέρεται γρήγορα σε μια μετασταθερή τριπλή κατάσταση στο CuPc, της οποίας ο πληθυσμός διαρκεί έξι τάξεις μεγέθους περισσότερο από το παλμό του λέιζερ φόρτισης. Η ηλεκτρική εξαγωγή διευκολύνεται από στρώματα μεταφοράς φορτίου που εισάγουν τόσο μια ενεργειακή κλίμακα, η οποία ευνοεί τον διαχωρισμό και τη μεταφορά του φορτίου.»

Σημαντικό, αυτό το σχέδιο δημιουργεί μια ηλεκτρική ισχύ εξόδου που κλιμακώνεται υπερεκτενώς (υπεραπορρόφηση + υπερακτινοβολία) με τη χωρητικότητα της μπαταρίας. Έτσι, όσο περισσότερο υλικό υπάρχει ταυτόχρονα, τόσο πιο γρήγορη μπορεί να είναι η εκφόρτιση.

«Τα ευρήματά μας επιβεβαιώνουν ένα θεμελιώδες κβαντικό φαινόμενο που είναι εντελώς αντισυμβατικό: οι κβαντικές μπαταρίες φορτίζονται πιο γρήγορα όσο μεγαλώνουν. Οι σημερινές μπαταρίες δεν λειτουργούν έτσι.» Επικεφαλής έρευνας James Quach.

Αποτελέσματα Πρώτης Κβαντικής Μπαταρίας

Το πρωτότυπο παρουσίασε την πρώτη πειραματική παρατήρηση υπερεκτενούς σταθερής κατάστασης ηλεκτρικής εκφόρτισης ισχύος, ένα μη προβλεπόμενο φαινόμενο από την κβαντική θεωρία, αλλά με προφανή δυνατότητα εφαρμογής σε κβαντικές μπαταρίες.

Πιο συγκεκριμένα, χρησιμοποιώντας μεθόδους υπεργρήγορης φασματοσκοπίας, μέτρησαν τη συμπεριφορά φόρτισης της μπαταρίας. Διαπίστωσαν ότι η κβαντική μπαταρία διατήρησε την αποθηκευμένη ενέργεια για έξι τάξεις μεγέθους περισσότερο (έξι μηδενικά) από το χρόνο που χρειάστηκε για τη φόρτιση.

«Δείξαμε μια συσκευή που μπορεί να φορτιστεί, να αποθηκεύσει αυτή την ενέργεια και στη συνέχεια να την εκφορτίσει. Αυτή είναι μια συναρπαστική εξέλιξη σε ένα ταχέως αναπτυσσόμενο διεπιστημονικό πεδίο. Ελπίζουμε οι κβαντικές μπαταρίες σύντομα να μην είναι πια μόνο θεωρητική ιδέα, αλλά κάτι που μπορεί να κατασκευαστεί στο εργαστήριο.» Daniel Gómez – Καθηγητής Χημικής Φυσικής στο RMIT.

Επίσης, έδειξαν ότι οι μικροκάψουλες μπορούν να φορτιστούν τόσο με συνεκτικό φως (λέιζερ) όσο και με «κανονικό» φως, καθιστώντας τες ευέλικτες για πρακτικές εφαρμογές πέρα από τις πιθανές μπαταρίες.

Προς Πρακτικές Κβαντικές Μπαταρίες

Σταθεροποίηση της Αποθηκευμένης Ενέργειας

Μέχρι στιγμής, μια μικροκάψουλα στην πειραματική δοκιμή μπορεί να διατηρήσει την ενέργεια σταθερή μόνο για 50 νανοδευτερόλεπτα, κάτι που είναι ελάχιστο για οποιαδήποτε πρακτική εφαρμογή αποθήκευσης ενέργειας.

Ωστόσο, αυτό κινείται προς τη σωστή κατεύθυνση, καθώς είναι τρεις τάξεις μεγέθους περισσότερο από το ισοδύναμο κράτος‑τέχνης σε μικροκάψουλες κβαντικών μπαταριών που λειτουργούν σε θερμοκρασία δωματίου. Και ένα μεγαλύτερο σύστημα πιθανότατα θα έχει πολύ μεγαλύτερη περίοδο διατήρησης ενέργειας σε κάθε περίπτωση, ακόμη και χωρίς βελτιωμένο σχεδιασμό.

Η εξαγωγή ενέργειας δοκιμάστηκε, οι συσκευές παρουσίασαν αξιοπρεπείς μέγιστες πυκνότητες ισχύος εκφόρτισης μεταξύ 10‑40 microwatt/cm², ένα αρκετά αξιοπρόσεκτο αποτέλεσμα σε σύγκριση με μικρο‑υπερκαπασιτόρους υψηλών επιδόσεων, οι οποίοι μπορούν να εμφανίσουν 30‑175 microwatt/cm².

Επιπλέον, αυτή η απόδοση επιτεύχθηκε σε θερμοκρασία δωματίου υπό περιβάλλοντες όρους, μια σπάνια κατάσταση για κβαντικά φαινόμενα που συχνά απαιτούν υπερβολικά χαμηλές θερμοκρασίες ή υψηλή πίεση, όπως η υπεραγωγία, για παράδειγμα.

Καθώς αυτό το πρωτότυπο δείχνει μια κλιμακώσιμη πορεία προς μεγάλη χωρητικότητα αποθήκευσης ενέργειας, αποτελεί ένα σταθερό πρώτο βήμα προς χρήσιμες κβαντικές μπαταρίες.

Τα Επόμενα Βήματα

Το επόμενο που πρέπει να βελτιωθεί είναι η κλιμάκωση του σχεδίου και η μέτρηση του πόσο η υπεραπορρόφηση ενισχύει την απόδοση στην πράξη με περισσότερες μικροκάψουλες στην ίδια συσκευή.

Ένα ακόμη κλειδί βήμα θα είναι η προσπάθεια ριζικής αύξησης της διάρκειας αποθήκευσης της ενέργειας. Μεγαλύτερες συσκευές, χαμηλότερες θερμοκρασίες ή μια ειδική δομή πλέγματος θα μπορούσαν να βοηθήσουν.

«Ενώ υπάρχει ακόμη πολύ δουλειά να γίνει στην έρευνα κβαντικών μπαταριών, κάναμε ένα σημαντικό βήμα προς την υλοποίηση των δυνατοτήτων. Το επόμενο βήμα για τις κβαντικές μπαταρίες αυτή τη στιγμή είναι η επέκταση του χρόνου αποθήκευσης ενέργειας. Αν ξεπεράσουμε αυτό το εμπόδιο, θα ήμασταν ένα βήμα πιο κοντά σε εμπορικά βιώσιμες κβαντικές μπαταρίες.» Επικεφαλής έρευνας James Quach.

Μακροπρόθεσμα, μια τέτοια μπαταρία θα μπορούσε να υπερβεί τις χημικές μπαταρίες, ή τουλάχιστον τους υπερκαπασιτόρους, που χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερο σε συνδυασμό με χημικές μπαταρίες σε βαριά μηχανήματα, ηλεκτρικά φορτηγά κ.λπ.

Θα μπορούσαν επίσης να λειτουργήσουν ως στερεός διακόπτης/αποθήκη για γρήγορη φόρτιση μιας τυπικής μπαταρίας, ή ως βάση για νέες, πιο αποδοτικές ηλιακές κυψέλες.

«Η απόλυτη φιλοδοξία μου είναι ένα μέλλον όπου μπορούμε να φορτίζουμε ηλεκτρικά αυτοκίνητα πολύ πιο γρήγορα από τα βενζινοκίνητα, ή να φορτίζουμε συσκευές σε μεγάλες αποστάσεις ασύρματα.» Επικεφαλής έρευνας James Quach.

Το φαινόμενο που αποκαλύφθηκε από αυτό το πρωτότυπο θα μπορούσε να είναι χρήσιμο και πέρα από τις κβαντικές μπαταρίες. Για παράδειγμα, θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία νέων τύπων συσκευών μετατροπής φωτός‑σε‑ενέργεια, συμπεριλαμβανομένων των φωτοβολταϊκών συστημάτων.

Επένδυση σε Κβαντικές Μπαταρίες

QuantumScape

Καθώς αυτό το πρωτότυπο κβαντικής μπαταρίας είναι το πρώτο του είδους, δεν υπάρχει ακόμη άμεσος τρόπος να επενδύσει κανείς σε αυτό το concept. Αλλά η πρόοδος στην τεχνολογία μπαταριών είναι γρήγορη, και η πλήρης μετάβαση από οχήματα βενζίνης σε ηλεκτρικά οχήματα είναι όλο και πιο πιθανή σε σύντομο χρονικό διάστημα, καθώς τα EV θα έχουν σύντομα μεγαλύτερη ισχύ, μεγαλύτερη αυτονομία και θα γίνουν φθηνότερα στη λειτουργία. Και αυτό ήταν πριν μια μεγάλη κρίση τιμών πετρελαίου εμφανιστεί στον ορίζοντα λόγω του πολέμου με το Ιράν.

Ένα βασικό μέρος αυτής της εξέλιξης είναι οι στερεές μπαταρίες, ένας τύπος σχεδίου που αφαιρεί το ηλεκτρολύτη που χρησιμοποιείται συνήθως στις μπαταρίες λιθίου‑ιόντων, καθιστώντας τη μπαταρία τόσο πιο πυκνή όσο και πιο ασφαλή.

Μια κορυφαία εταιρεία στον τομέα είναι η QuantumScape (QS ), μια εταιρεία που ιδρύθηκε το 2010 και βρίσκεται σε βαθύ συνεργατικό σχέδιο με την Volkswagen Group για να βοηθήσει τον #2 μεγαλύτερο κατασκευαστή αυτοκινήτων του κόσμου να προλάβει στην τεχνολογία EV.

Πηγή: QuantumScape

Στο συμφωνία του 2024, η PowerCo (τμήμα μπαταριών της Volkswagen) μπορεί να κατασκευάσει έως 40 γγα‑ώρες ετησίως μπαταριών ηλεκτρικών οχημάτων, με δυνατότητα επέκτασης σε 80 GWh ετησίως. Επιπλέον, επιτρέπει στη Volkswagen να παρέχει έως 5 GWh επιπλέον εφεδρικής χωρητικότητας που η QuantumScape έχει κάθε χρόνο για πελάτες πέρα από την Volkswagen Group, καθώς και το δικαίωμα αδειοδότησης ορισμένων μελλοντικών τεχνολογιών QS.

Το 2025, μια μπαταρία QuantumScape ενσωματώθηκε σε ένα υψηλού επιπέδου ηλεκτρικό μοτοσυκλέτα Ducati. Η Ducati είναι μέρος της ομάδας Volkswagen, μαζί με μάρκες όπως Audi, Bentley, CUPRA, Lamborghini, Porsche, SEAT και Škoda.

Ο σχεδιασμός μπαταρίας της QuantumScape είναι εξαιρετικά πυκνός σε ενέργεια, πολύ υψηλότερος από τα καλύτερα σχέδια λιθίου‑ιόντων που χρησιμοποιεί η Tesla (TSLA ), και φορτίζει 2‑3  φορές πιο γρήγορα, λύνοντας το πρόβλημα της αργής φόρτισης των EV, ένα σημαντικό ζήτημα για πολλούς καταναλωτές που είναι συνηθισμένοι στα βενζινοκίνητα οχήματα.

Πηγή: QuantumScape

Με ένα σύντομο χρονοδιάγραμμα για εμπορευματοποίηση και μια ενσωματωμένη συνεργασία με μια αυτοκινητοβιομηχανία που πουλάει εκατομμύρια αυτοκίνητα ετησίως, η QuantumScape βρίσκεται σε καλή θέση να γίνει ένας από τους κορυφαίους προμηθευτές μπαταριών για τις δυτικές κατασκευάστριες, με ανταγωνιστές όπως οι Κινέζοι κατασκευαστές μπαταριών όπως η CATL ή σχετικά νέες εταιρείες όπως οι Donut Labs.

Τώρα αυξάνει την μαζική παραγωγή της μπαταρίας της, με τη μοτοσυκλέτα Ducati να αποτελεί μόνο τη τεχνολογική επίδειξη, πριν μια νέα σειρά EV από Porsche, Audi και άλλες μάρκες με μπαταρίες QuantumScape να φτάσει στην αγορά.

(Μπορείτε να διαβάσετε περισσότερα για QuantumScape και το σχεδιασμό της στερεής μπαταρίας στην επενδυτική μας αναφορά αφιερωμένη στην εταιρεία και για την Volkswagen και τη στρατηγική της για EV σε αυτήν την άλλη αφιερωμένη αναφορά.)

Τελευταία Νέα & Εξελίξεις QuantumScape (QS)

Μελέτη Αναφορά

^{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}