Energia
Ensimmäinen kvanttiakun prototyyppi luo uuden energiatallennusmuodon
Energian tallentamisessa käytetään pääasiassa joitain perusmenetelmiä. Yleisin tapa on hyödyntää kemiallista reaktiota, jossa käytetään usein erittäin elektroreaktiivisia aineita, kuten litiumia, joka tallentaa sähköenergian siirtämällä elektroneja metallista ioniin ja vastaavasti.
Toinen tapa tallentaa energiaa on ultrakondensaattorit, jotka tallentavat sähkövarauksen materiaalin pinnalle, kuten grafeeniin. Lopuksi energia voidaan tallentaa lämmön tai liikkeen muodossa, kuten lämpöakkuissa ja pyörikkäissä.
Kuitenkin näyttää siltä, että uusi menetelmä on juuri lisätty potentiaalisiin energiatallennusmuotoihin Australian tutkijoiden toimesta Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation (CSIRO):ssa, RMIT-yliopistossa ja Melbournen yliopistossa.
He esittelivät varhaisen “kvanttiakun” prototyypin, joka hyödyntää kvantti-ilmiöitä sähkövarauksen, kemiallisen reaktion tai lämmön ja liikkeen sijaan energian tallentamiseen. He esittivät löytönsä tieteellisessä artikkelissa, joka julkaistiin arvostetussa tieteenalatutkimuksessa Light Sciences & Applications, otsikolla “Superextensive electrical power from a quantum battery”.
Mikä on kvanttiakku?
Kvanttiakut eivät käytä kemiallista reaktiota ja/tai sähkövarausta, vaan niissä hyödynnetään kvanttimekaniikan vastaisintuoksuista periaatteita, kuten supraposiitiota ja sidonnaisuutta.
Sidonnaisuus on ilmiö, jossa kaksi tai useampi hiukkanen liittyvät niin syvällisesti, että ne jakavat yhteisen kvanttitilan, riippumatta siitä, kuinka kaukana ne ovat toisistaan.
Tähän asti tämä idea on ollut laajasti teoreettisessa tutkimuksessa, mutta vain harvoja käytännön kokeita on tehty käytännön maailmassa.
Tutkijoiden kehittämän prototyypin avainidea on järjestelmä, jota kutsutaan mikrokuiluksi, joka voi ansaita valoa ja muuttaa sen sähköksi. Tässä tapauksessa tutkijat käyttivät Fabry-Pérot-kuiluja, “sandwichia”, jossa valo heijastuu kahden rinnakkaisen peilin välillä, mikä on jo useissa sovelluksissa, kuten uusien tyyppien antureiden rakentamisessa.
Source: Applied Physics B
Toinen tärkeä käsite on valon superabsorptio, joka on superradianssin vastakohta. Superabsorptio on kvanttimekaaninen ilmiö, jossa ryhmä atomeja tai molekyylejä absorboi valoa yhteisesti nopeammin kuin yksittäisten absorptioratojen summa.
Tuloksena on, että partikkelien kokoelma voi teoriassa absorboida valoa jopa 10 kertaa nopeammin kuin itsenäiset partikkelit, tarjoamalla mahdollisuuden erittäin nopeaan energiansiirtoon. Mikä olisi tietysti hyvin hyödyllistä akkusysteemille.
Käytännössä superabsorptio on vaikea ylläpitää käytännön asetelmissa, koska luonnolliset järjestelmät suosivat valon emissiota absorptiota vastaan.
Ensimmäinen kvanttiakun prototyyppi
Tutkijat käyttivät monikerroksista mikrokuilua, jossa käytettiin kuparifthalosyaninia (CuPc), kirkkaan sinistä syntetistä pigmenttiä, jota yleensä käytetään orgaanisena puolijohtimena OLED- ja aurinkokennoissa.
Source: Light Sciences & Applications
Tämä luo vahvan valo-materia -vuorovaikutuksen eli valon ja generoivan sähkövirran välisen vuorovaikutuksen.
“Latauksen aikana energia siirretään nopeasti metastabiiliin triplet-tilaan CuPc:ssa, jonka populaatio kestää kuusi kertaluokkaa pidempään kuin latauslaserin pulssi. Sähköinen irrotus tapahtuu latauskanavien avulla, jotka esittelevät sekä energiagradian, joka suosii latauksen erottamista ja kuljetusta.”
Tärkeää on, että tämä suunnittelu luo sähköisen tehon, joka skaalautuu superextensivisesti (superabsorptio + superradianssi) akun kapasiteetin mukaan. Eli mitä enemmän tätä ainetta on läsnä kerran, sitä nopeammin sähkövirta voidaan purkaa.
“Havaintomme vahvistavat perustavanlaatuinen kvantti-ilmiön, joka on täysin vastaisintuoksuinen: kvanttiakut latautuvat nopeammin, mitä suurempia ne ovat. Nykyiset akut eivät toimi samalla tavalla.”
Ensimmäisen kvanttiakun tulokset
Prototyyppi osoitti ensimmäisen kokeellisen havainnon superextensivisestä tasapainotilasta sähköisen purkausvoimasta, joka on kvantti-teorian ennustamaton ilmiö, mutta jolla on ilmeinen soveltamismahdollisuus kvantti-akkuissa.
Tarkemmin sanottuna, tutkijat mittasivat akun latauskomponentin ultra-nopeilla spektroskopia-menetelmillä. He löysivät, että kvantti-akku piti tallennettua energiaa kuusi kertaluokkaa pidempään (kuusi nollaa) kuin mitä kesti lataukseen.
“Osoitimme laitteen, joka voidaan ladata, tallentaa energia ja sitten purkaa se. Tämä on jännittävä kehitys nopeasti kasvavassa monitieteisessä alalla. Toivon, että kvantti-akut eivät ole enää teoreettinen idea, vaan jotain, mitä voidaan rakentaa laboratoriossa.”
He osoittivat myös, että mikrokuilut voidaan ladata sekä koherentilla valolla (lasereilla) että “normaalilla” valolla, mikä tekee niistä joustavia käytännön sovelluksia potentiaalisten akkujen ulkopuolella.
Kohti käytännön kvantti-akkuja
Tallennetun energian stabilointi
Tähän asti mikrokuilu voi pitää energian vakaana vain 50 nanosekuntia, mikä on vain vähän aikaa mihinkään käytännön sovellukseen energian tallentamisessa.
Kuitenkin tämä on oikeaan suuntaan, koska tämä on kolme kertaluokkaa pidempään kuin vastaavan huipputason mikrokuilu-kvantti-akkujen toiminta huoneenlämmössä. Ja suurempi järjestelmä on todennäköisesti paljon pidempi energian säilytysaika ilman suunnittelun parantamista.
Energian irrotus testattiin, laitteet näyttivät kohtuullisen maksimaalisen purkausvoiman tiheyden 10-40 mikrowatin/cm², mikä on kunnioitettava tulos verrattuna korkean suorituskyvyn mikro-supercapacitorien kanssa, jotka itse voivat näyttää 30-175 mikrowatin/cm².
Lisäksi tämä suoritus saavutettiin huoneenlämmössä normaaliolosuhteissa, mikä on harvinainen tilanne kvantti-ilmiöiden kanssa, jotka usein vaativat ultra-kylmiä lämpötiloja tai korkeaa painetta, kuten suprajohtavuutta.
Koska tämä prototyyppi osoittaa skaalautuvan polun suuren energiatallennuskapasiteetin saavuttamiseksi, se edustaa vankkaa ensiaskelta kohti käytettäviä kvantti-akkuja.
Seuraavat vaiheet
Seuraava parannettava asia on skaalata suunnittelu ja mitata, kuinka paljon superabsorptio parantaa suorituskykyä käytännössä useammalla mikrokuilulla samassa laitteessa.
Toinen tärkeä askel on yrittää radikaalisti parantaa energian säilytysaikaa. Suuremmat laitteet, kylmemmät lämpötilat tai erityinen rakenteellinen rakenne voivat auttaa.
“Vaikka kvantti-akun tutkimuksessa on vielä paljon työtä tehtävänä, olemme tehneet tärkeän askelen kvantti-akun mahdollisuuksien toteuttamiseksi. Seuraava askel kvantti-akkuissa on nyt energian säilytysajan pidentäminen. Jos pystymme ylittämään tämän esteen, olemme lähempänä kaupallisesti toteuttamiskelpoisia kvantti-akkuja.”
Pitkällä aikavälillä tällainen akku voisi ylittää kemiallisilla perustuvat akut tai ainakin superkapasitorit, jotka ovat yhä enemmän käytössä raskaassa kalustossa, sähköautoissa jne.
Ne voivat myös potentiaalisesti toimia kiinteänä välittäjänä tai puskurina ladata standardiakkuja nopeammin tai muodostaa uusia, tehokkaampia aurinkopaneeleita.
“Minun lopullinen tavoitteeni on tulevaisuus, jossa voimme ladata sähköautoja paljon nopeammin kuin bensiinikäyttöisiä autoja, tai ladata laitteita pitkin matkoja langattomasti.”
Tämä ilmiö, jota tämä prototyyppi paljasti, voisi olla käytettävissä kvantti-akkujen ulkopuolella. Esimerkiksi se voisi luoda uusia valon ja voiman laitteita, mukaan lukien fotovoltaattisia järjestelmiä.
Sijoittaminen kvantti-akkuun
QuantumScape
(QS )
Koska tämä kvantti-akun prototyyppi on ensimmäinen laatuaan, ei ole suoraa tapaa sijoittaa tähän käsitteeseen vielä. Mutta patteriteknologian kehitys on nopeaa, ja siirtyminen polttoainekäyttöisistä ajoneuvoista sähköisiin on yhä todennäköisempää lyhyessä ajassa, koska sähköautot saavat pian enemmän voimaa, pidemmän toimintamatkan ja halvemman käytön. Ja tämä ennen suuren öljynhinnan šokin uhkaa horisontissa Iranin sodan takia.
Kiinteän olomuodon akut ovat tärkeä osa tätä evoluutiota, ja ne poistavat elektrolyytin, jota yleensä käytetään litium-ioni-akkuissa, mikä tekee akun sekä tiheämmäksi että turvallisemmaksi.
Johtava yritys tässä alalla on QuantumScape, yritys, joka perustettiin vuonna 2010 ja jolla on syvä yhteistyö Volkswagen Groupin kanssa auttamaan maailman toiseksi suurinta autonvalmistajaa saavuttamaan sähköisen teknologian.
Source: QuantumScape
Vuoden 2024 sopimuksen mukaan PowerCo (Volkswagenin akkuosasto) voi valmistaa jopa 40 gigawattituntia sähköauton akkuja vuodessa, ja sillä on optio laajentaa 80 GWh:iin vuodessa. Se antaa myös Volkswagenille mahdollisuuden toimittaa jopa 5 GWh:n lisäkapasiteettia QuantumScapelle joka vuosi asiakkaille Volkswagen Groupin ulkopuolella, sekä oikeuden lisensoida tulevia QS-teknologioita.
Vuonna 2025 QuantumScapen akku oli osa korkealuokkaista sähköistä Ducati-moottoripyörää. Ducati on osa Volkswagen-konsernia, johon kuuluvat myös autonmerkit kuten Audi, Bentley, CUPRA, Lamborghini, Porsche, SEAT ja Škoda.
QuantumScapen akkusuunnittelu on erittäin energiadensi, paljon tiheämpää kuin Teslan parhaat litium-ioni-suunnitelmat, ja se latautuu 2-3 kertaa nopeammin, ratkaisemalla sähköautojen hitaan latausajan, joka on suuri ongelma monille kuluttajille, jotka ovat tottuneet polttoainekäyttöisiin autoihin.
Source: QuantumScape
Lyhyen kaupallistamisajan ja vahvan yhteistyön kanssa suurella autonvalmistajaryhmällä, joka myy miljoonia autoja vuodessa, QuantumScape on hyvin asemoitunut tulemaan yhdeksi johtavista akun toimittajista länsimaisille valmistajille, kilpaillen kiinalaisten akkutoimittajien, kuten CATL:n, tai suhteellisen uusien yritysten, kuten Donut Labs:n, kanssa.
Se on nyt kasvattamassa massatuotantoa akustaan, ja Ducatin moottoripyörä on vain tekninen demo ennen kuin uusi linja sähköautoja Porschen, Audin ja muiden autonmerkkien kanssa, jotka on rakennettu QuantumScapen akkuja käyttäen, tulee markkinoille.
(Voit lukea lisää QuantumScapen ja sen kiinteän olomuodon akkusuunnittelun yritykseen keskittyvästä raportista ja Volkswagenin ja sen sähköisen strategian tästä toisesta omistautuneesta raportista.)
QuantumScapen (QS) uusimmat uutiset ja kehitykset
Viittauksena käytetty tutkimus
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
