Ensimmäinen Kvanttipariston Prototyyppi Luo Uuden Energian Varastointimuodon

Kun puhutaan energian varastoinnista, päämenetelmät ovat melko yhdenmukaisia. Yleisin on hyödyntää kemiallista reaktiota, yleensä käyttämällä erittäin elektroreaktiivista elementtiä, kuten litiumia, joka varastoi sähköenergiaa siirtämällä elektroneja metallista ioniin ja päinvastoin.

Toinen tapa varastoida energiaa on ultrakondensaattorit, jotka varastoivat sähkövarauksen suoraan materiaalin, kuten grafeenin, pinnalla. Lopuksi energiaa voidaan varastoida lämmön tai liikkeen muodossa, kuten lämpöparistoissa ja pyörivissä massassa.

Kuitenkin näyttää siltä, että Australian tutkijat Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation (CSIRO):ssa, RMIT-universiteetissa ja Melbourne-universiteetissa ovat juuri lisänneet uuden menetelmän mahdollisiin energian varastointimuotoihin.

He paljastivat varhaisen prototyypin “kvanttiparistosta”, joka hyödyntää kvanttiefektejä sähkövarauksen, kemiallisen reaktion tai lämmön ja liikkeen sijaan energian varastointiin. He esittelivät löydöksensä tieteellisessä artikkelissa, joka julkaistiin arvostetussa arvostelussa Light Sciences & Applications¹, otsikolla “Superextensive electrical power from a quantum battery”.

Mikä on kvanttiparisto?

Kemiallisen ja/tai sähkövarauksen sijaan kvanttiparistot käyttävät melko vastoin intuitiota kvanttimekaniikan periaatteita, mukaan lukien superpositio ja lomittuminen.

Lomittuminen on ilmiö, jossa kaksi tai useampi hiukkanen liittyy niin syvästi, että ne jakavat yhden kvanttitilan riippumatta niiden välimatkasta.

Tähän mennessä tätä ajatusta on tutkittu laajasti teoriassa, mutta käytännön kokeita, jotka testaisivat konseptia todellisessa maailmassa, on hyvin vähän.

Tutkijoiden kehittämän prototyypin keskeinen ajatus on järjestelmä, jota kutsutaan mikrokaviteetiksi, ja joka voi vangita valoa ja muuntaa sen sähköksi. Tässä tapauksessa tutkijat käyttivät Fabry‑Pérot‑kaviteita, “voileipä”-rakennetta, jossa valo heijastuu kahden rinnakkaisen peilin välillä, ja jota pidetään jo monissa sovelluksissa, kuten uusien anturityyppien rakentamisessa.

Lähde: Applied Physics B

Toinen keskeinen käsite on valosta tapahtuva superabsorptio, superradianssin vastakohta. Superabsorptio on kvanttimekaaninen ilmiö, jossa atomien tai molekyylien ryhmä absorboi valoa kollektiivisesti nopeammin kuin niiden yksittäisten absorptioprosessien summa.

Joten sen sijaan että absorptio kasvaisi normaalimateriaalin tavoin lineaarisesti, absorptiokapasiteetti kasvaa eksponentiaalisesti.

Tämän seurauksena hiukkasten kokoelma voi teoreettisesti absorboida valoa jopa kymmenen kertaa nopeammin kuin itsenäiset hiukkaset, tarjoten mahdollisuuden äärimmäisen nopeaan energiansiirtoon. Tämä olisi tietysti erittäin hyödyllistä paristojärjestelmässä.

Käytännössä superabsorptio on vaikea ylläpitää käytännön asetelmissa, koska luonnolliset järjestelmät pyrkivät valon emitointiin absorptiota enemmän.

Ensimmäinen kvanttipariston prototyyppi

Tutkijat käyttivät monikerroksista mikrokaviteettisuunnitelmaa, jossa käytettiin kupariftalosyaninia (CuPc), kirkkaan sinistä synteettistä pigmenttiä, jota käytetään yleisesti orgaanisena puolijohteena OLED- ja aurinkokennoissa.

Lähde: Light Sciences & Applications

Tämä luo vahvan valon‑aineen kytkennän, eli vuorovaikutuksen valon ja syntyneen sähkövirran välillä.

“Kun lataus tapahtuu, energia siirtyy nopeasti metastabiiiseen triplet-tilaan CuPc:ssä, jonka väestö pysyy kuusi potenssia pidempään kuin latauslaserimpulssi. Sähköinen poisto helpottuu varauskuljetuskerroksilla, jotka luovat energian gradientin, mikä suosii varauksen erottumista ja kuljetusta.”

Tärkeää on, että tämä suunnittelu tuottaa sähkötehoa, joka skaalautuu superekstensiivisesti (superabsorptio + superradianssi) pariston kapasiteetin kanssa. Mitä enemmän tätä materiaalia on kerralla läsnä, sitä nopeampi sähköpurkaus on.

“Löydöksemme vahvistavat perustavanlaatuista kvanttiefektiä, joka on täysin vastoin intuitiota: kvanttiparistot latautuvat nopeammin, kun ne kasvavat. Nykyparistot eivät toimi näin.” Tutkimusjohtaja James Quach.

Ensimmäisen kvanttipariston tulokset

Prototyyppi osoitti ensimmäisen kokeellisen havainnon superekstensiivisestä vakaa-tilan sähköpurkaustehosta, kvanttiteorian ennustamatonta ilmiötä, mutta jolla on ilmeinen potentiaali kvanttiparistoissa.

Tarkemmin sanottuna käyttäen ultra-nopeita spektroskopiamenetelmiä, he mittasivat pariston latauskäyttäytymistä. He havaitsivat, että kvanttiparisto säilytti varastoidun energian kuusi potenssia pidempään (kuusi nollaa) kuin lataamiseen kesti.

“Me osoitimme laitteen, joka voidaan ladata, varastoida energia ja sitten purkaa se. Tämä on jännittävä kehitys nopeasti kasvavalla monitieteisellä alalla. Toivottavasti kvanttiparistot eivät pian enää ole teoreettinen idea, vaan jotain, mitä voidaan rakentaa laboratoriossa.” Daniel Gómez – RMIT:n kemiallis-fysiikan professori.

He myös osoittivat, että mikrokaviteetit voidaan ladata sekä koherentilla valolla (laserilla) että “normaalilla” valolla, mikä tekee niistä riittävän joustavia käytännön sovelluksiin, jotka ylittävät mahdolliset paristot.

Kohti käytännöllisiä kvanttiparistoja

Varastoidun energian vakauttaminen

Tähän mennessä mikrokaviteetti pystyy pitämään energian vakaana vain 50 nanosekuntia, mikä on tuskin riittävä käytännön energian varastointisovelluksiin.

Kuitenkin tämä on oikealla tiellä, sillä se on kolme potenssia pidempään kuin vastaava huipputason mikrokaviteettikvanttiparisto, joka toimii huoneenlämmössä. Suurempi järjestelmä todennäköisesti säilyttää energian paljon pidempään, jopa ilman parannettua suunnittelua.

Energiankeräys testattiin, laitteet osoittivat kohtuullisia maksimaalisia purkaustehojen tiheyksiä välillä 10‑40 mikrowattia/cm², melko kunnioitettavan tuloksen verrattuna huippuluokan mikrosuperkondensaattoreihin, jotka voivat saavuttaa 30‑175 mikrowattia/cm².

Lisäksi tämä suorituskyky saavutettiin huoneenlämmössä ympäristöolosuhteissa, mikä on harvinainen tilanne kvanttifenomeneissa, jotka usein vaativat erittäin kylmiä lämpötiloja tai korkeaa painetta, kuten esimerkiksi suprajohtavuus.

Koska tämä prototyyppi osoittaa skaalautuvan polun suureen energian varastointikapasiteettiin, se edustaa vankkaa ensimmäistä askelta kohti käyttökelpoisia kvanttiparistoja.

Seuraavat askeleet

Seuraava parannuskohde on skaalata suunnittelua ja mitata, kuinka paljon superabsorptio parantaa suorituskykyä käytännössä, kun samassa laitteessa on enemmän mikrokaviteetteja.

Toinen tärkeä seuraava askel on pyrkiä radikaalisesti pidentämään energian varastoinnin kestoa. Suuremmat laitteet, kylmemmät lämpötilat tai erityinen kiderakenne voivat auttaa.

“Vaikka kvanttiparistotutkimuksessa on vielä paljon tehtävää, olemme tehneet tärkeän askeleen mahdollisuuksien toteuttamisessa. Seuraava askel kvanttiparistoille juuri nyt on energian varastointiajan pidentäminen. Jos pystymme ylittämään tämän esteen, olemme lähellä kaupallisesti käyttökelpoisia kvanttiparistoja.” Tutkimusjohtaja James Quach.

Pitkällä aikavälillä tällainen paristo voisi ylittää kemialliset paristot tai ainakin superkondensaattorit, joita käytetään yhä enemmän yhdessä kemiallisten paristojen kanssa raskaassa kalustossa, sähkökuorma-autoissa jne.

Ne voisivat myös mahdollisesti toimia kiinteänä releenä/puskuroijana, jotta tavallinen paristo latautuisi nopeammin, tai muodostaa perustan uusille, tehokkaammille aurinkopaneeleille.

“Lopullinen tavoitteeni on tulevaisuus, jossa voimme ladata sähköautot paljon nopeammin kuin polttomoottoriajoneuvot, tai ladata laitteita pitkien etäisyyksien päässä langattomasti.” Tutkimusjohtaja James Quach.

Tämän prototyypin paljastama ilmiö voisi olla käyttökelpoinen kvanttiparistojen ulkopuolellakin. Esimerkiksi sitä voitaisiin käyttää uusien valosta energiaan -laitteiden, kuten fotovoltaisien järjestelmien, luomiseen.

Sijoittaminen kvanttiparistoihin

QuantumScape

Koska tämä kvanttipariston prototyyppi on aivan ensimmäinen laatuaan, ei vielä ole suoraa tapaa sijoittaa tähän konseptiin. Mutta akkuteknologian kehitys on nopeaa, ja täysi siirtyminen polttomoottoriajoneuvoista sähköajoneuvoihin on yhä todennäköisempää lyhyessä aikataulussa, sillä sähköajoneuvoilla on pian enemmän tehoa, pidempi toimintasäde ja ne tulevat halvemmiksi käyttää. Tämä tapahtui ennen kuin suuri öljynhintashokki uhkasi horisontissa Iranin sodan vuoksi.

Tämän kehityksen keskeinen osa on kiinteän tilan paristot, suunnittelutyyppi, joka poistaa litiumioniakkujen tavallisesti käytetyn elektrolyytin, tehden paristosta sekä tiheämmän että turvallisemman.

Alan johtava yritys on QuantumScape (QS ), joka perustettiin vuonna 2010 ja on syvässä kumppanuudessa Volkswagen-konsernin kanssa auttaakseen maailman toiseksi suurinta autonvalmistajaa kiihdyttämään EV-teknologiaa.

Lähde: QuantumScape

Under vuoden 2024 sopimus, PowerCo (Volkswagenin akkuosasto) voi valmistaa jopa 40 gigawattituntia vuodessa sähköajoneuvojen akkuja, mahdollisuudella laajentaa 80 GWh:iin vuodessa. Se myös antaa Volkswagen tarjoaa ylimääräistä 5 GWh:n varakapasiteettia, jonka QuantumScape:lla on jokaisena vuonna asiakkaille Volkswagen-konsernin ulkopuolelle, sekä oikeuden lisensoida tiettyjä tulevia QS-teknologioita.

Vuonna 2025 QuantumScape‑akku otettiin käyttöön huippuluokan sähkö-Ducati-pyörässä. Ducati on osa Volkswagen-konsernia, yhdessä automerkkejä kuten Audi, Bentley, CUPRA, Lamborghini, Porsche, SEAT ja Škoda kanssa.

QuantumScape:n akkusuunnittelu on äärimmäisen energiapitoinen, paljon korkeampi kuin Teslan käyttämät parhaat litiumioni‑suunnitelmat, ja latautuu 2‑3‑kertaa nopeammin, ratkaisten sähköajoneuvojen hitaan latausajan, mikä on merkittävä ongelma monille polttoaineautoista tottuneille kuluttajille.

Lähde: QuantumScape

Lyhyen kaupallistamisaikataulun ja vankkumattoman kumppanuuden autoteollisuusryhmän kanssa, joka myy miljoonia autoja vuodessa, ansiosta QuantumScape on hyvin asemoitu tulemaan yhdeksi johtavimmista akkuvalmistajista länsimaisille valmistajille, kilpailijoina ovat joko kiinalaiset akkuvalmistajat kuten CATL tai suhteellisen uudet yritykset kuten Donut Labs.

Se on nyt lisäämässä akkujen massatuotantoa, ja Ducati-pyörä oli vain tekninen demo, ennen kuin uusi sarja sähköajoneuvoja, kuten Porsche, Audi ja muut automerkit, jotka on rakennettu QuantumScape‑akuilla, saapuu markkinoille.

(Voit lukea lisää QuantumScape‑stä ja sen kiinteän tilan akkusuunnittelusta sijoitusraportistamme, joka on omistettu yhtiölle ja Volkswagenista ja sen sähköajoneuvojen strategiasta tässä muussa omistetussa raportissa.)

Viimeisimmät QuantumScape (QS) uutiset ja kehitykset

Viitattu tutkimus

^{1. Hymas, K., Muir, J.B., Tibben, D. et al. Superekstensiivinen sähköteho kvanttiparistosta. Light Sciences & Applications 15, 168 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-026-02240-6}