Il Primo Prototipo di Batteria Quantistica Crea una Nuova Forma di Accumulo di Energia

Quando si tratta di immagazzinare energia, i metodi principali sono piuttosto coerenti. Il più comune è sotto forma di sfruttare una reazione chimica, solitamente usando un elemento molto elettroreattivo, come il litio, che immagazzina l’energia elettrica spostando gli elettroni da un metallo a uno ione e viceversa.

Un altro modo per immagazzinare energia sono gli ultracapacitori, che immagazzinano la carica elettrica direttamente sulla superficie di un materiale come il grafene. Infine, l’energia può essere immagazzinata sotto forma di calore o movimento, come nelle batterie termiche e nei volani.

Tuttavia, sembra che un nuovo metodo sia appena stato aggiunto alle potenziali forme di accumulo energetico da parte di ricercatori australiani del Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation (CSIRO), dell’Università RMIT e dell’Università di Melbourne.

Hanno presentato un prototipo iniziale di una “batteria quantistica”, che sfrutta gli effetti quantistici invece della carica elettrica, della reazione chimica o del calore e movimento per immagazzinare energia. Hanno dettagliato i loro risultati in un articolo scientifico pubblicato nella prestigiosa rivista Light Sciences & Applications¹, con il titolo “Superextensive electrical power from a quantum battery”.

Che Cos'è una Batteria Quantistica?

Invece di chimica e/o carica elettrica, le batterie quantistiche utilizzano i principi piuttosto controintuitivi della meccanica quantistica, inclusi sovrapposizione e intreccio.

L'intreccio è un fenomeno in cui due o più particelle diventano così strettamente collegate da condividere un unico stato quantistico, indipendentemente dalla distanza che le separa.

Finora, questa idea è stata ampiamente esplorata in teoria, ma con pochissimi esperimenti pratici che hanno testato il concetto nel mondo reale.

L'idea chiave del prototipo sviluppato dai ricercatori è un sistema chiamato microcavità, che può intrappolare la luce e poi convertirla in elettricità. In questo caso, i ricercatori hanno usato cavità Fabry‑Pérot, un “sandwich” in cui la luce si riflette tra due specchi paralleli, già considerato per molte applicazioni, come la costruzione di nuovi tipi di sensori.

Fonte: Applied Physics B

Un altro concetto chiave è la superassorbimento di energia dalla luce, il fenomeno opposto della superradiazione. Il superassorbimento è un fenomeno quantistico in cui un gruppo di atomi o molecole assorbe la luce collettivamente a una velocità superiore alla somma delle loro singole velocità di assorbimento.

Quindi, invece di sommarsi come con i materiali normali, la capacità di assorbimento aumenta esponenzialmente.

Di conseguenza, una collezione di particelle può teoricamente assorbire luce fino a 10 volte più velocemente rispetto a particelle indipendenti, offrendo potenziale per un trasferimento di energia estremamente rapido. Il che sarebbe, naturalmente, molto utile per un sistema di batteria.

In pratica, il superassorbimento è difficile da mantenere in configurazioni pratiche, poiché i sistemi naturali tendono a favorire l'emissione di luce rispetto all'assorbimento.

Primo Prototipo di una Batteria Quantistica

I ricercatori hanno utilizzato un design chiamato microcavità a più strati, usando la ftalocianina di rame (CuPc), un pigmento sintetico di colore blu brillante comunemente usato come semiconduttore organico in OLED e celle solari.

Fonte: Light Sciences & Applications

Ciò crea un forte accoppiamento luce‑materia, ovvero l'interazione tra la luce e una corrente elettrica generata.

“Durante la carica, l'energia viene rapidamente trasferita a uno stato tripletto metastabile in CuPc, la cui popolazione persiste per sei ordini di grandezza più a lungo rispetto all'impulso laser di carica. L'estrazione elettrica è facilitata da strati di trasporto di carica che introducono sia un gradiente energetico, che favorisce la separazione e il trasporto della carica.”

È importante notare che questo design genera una potenza elettrica che scala superestensivamente (superassorbimento + superradiazione) con la capacità della batteria. Quindi, più è presente questo materiale contemporaneamente, più rapida può essere la scarica elettrica.

“I nostri risultati confermano un effetto quantistico fondamentale completamente controintuitivo: le batterie quantistiche si caricano più velocemente man mano che diventano più grandi. Le batterie odierne non funzionano così.”Research lead James Quach.

Risultati del Primo Batteria Quantistica

Il prototipo ha dimostrato la prima osservazione sperimentale di una potenza di scarica elettrica a regime superestensiva, un fenomeno non previsto dalla teoria quantistica, ma con evidente potenziale applicazione nelle batterie quantistiche.

Più precisamente, usando metodi di spettroscopia ultraveloci, hanno misurato il comportamento di carica della batteria. Hanno scoperto che la batteria quantistica ha mantenuto l'energia immagazzinata per sei ordini di grandezza più a lungo (sei zeri) rispetto al tempo di carica.

“Abbiamo dimostrato un dispositivo che può essere caricato, immagazzinare quell'energia e poi scaricarla. Questo è uno sviluppo entusiasmante in un campo interdisciplinare in rapida crescita. Speriamo che le batterie quantistiche non saranno più presto un'idea teorica ma qualcosa che potrà essere costruito in laboratorio.”Daniel Gómez – RMIT Professor of Chemical Physics.

Hanno inoltre dimostrato che le microcavità possono essere caricate sia con luce coerente (laser) sia con luce “normale”, rendendole sufficientemente flessibili per applicazioni pratiche oltre le potenziali batterie.

Verso Batterie Quantistiche Pratiche

Stabilizzare l'Energia Immagazzinata

Finora, una microcavità nell'esperimento può mantenere l'energia stabile solo per 50 nanosecondi, difficilmente sufficiente per qualsiasi applicazione pratica di accumulo energetico.

Tuttavia, questo è un passo nella giusta direzione, poiché è tre ordini di grandezza più lungo rispetto allo stato dell'arte equivalente nelle batterie quantistiche a microcavità che operano a temperatura ambiente. E un sistema più grande avrà probabilmente un periodo di ritenzione energetica molto più lungo in ogni caso, anche senza un design migliorato.

L'estrazione di energia è stata testata, i dispositivi hanno mostrato densità di potenza di scarica massima ragionevoli tra 10‑40 microwatt/cm², un risultato piuttosto onorevole se confrontato con i micro‑supercondensatori ad alte prestazioni, che possono raggiungere 30‑175 microwatt/cm².

Inoltre, queste prestazioni sono state raggiunte a temperatura ambiente in condizioni ambientali, una situazione rara per i fenomeni quantistici che spesso richiedono temperature ultra‑fredde o alte pressioni, come la superconduttività, per esempio.

Poiché questo prototipo dimostra un percorso scalabile verso una grande capacità di immagazzinamento energetico, rappresenta un solido primo passo verso batterie quantistiche utilizzabili.

I Prossimi Passi

Il prossimo passo da migliorare sarà scalare il design e misurare quanto il superassorbimento aumenti le prestazioni nella pratica con più microcavità nello stesso dispositivo.

Un altro passo chiave sarà provare a migliorare radicalmente la durata dell'immagazzinamento dell'energia. Dispositivi più grandi, temperature più fredde o una struttura reticolare speciale potrebbero aiutare.

“Mentre c'è ancora molto lavoro da fare nella ricerca sulle batterie quantistiche, abbiamo compiuto un passo importante verso la realizzazione delle possibilità. Il prossimo passo per le batterie quantistiche al momento è estendere il loro tempo di immagazzinamento dell'energia. Se riusciremo a superare questo ostacolo, saremo un po' più vicini a batterie quantistiche commercialmente viabili.”Research lead James Quach.

A lungo termine, una tale batteria potrebbe superare le batterie chimiche, o almeno i supercondensatori, che sono sempre più usati in combinazione con le batterie chimiche in macchinari pesanti, camion elettrici, ecc.

Potrebbero anche potenzialmente fungere da solido relè/buffer per caricare più rapidamente una batteria standard, o costituire la base di nuovi pannelli solari più efficienti.

“La mia ambizione finale è un futuro in cui possiamo caricare le auto elettriche molto più velocemente delle auto a benzina, o caricare dispositivi a lunga distanza in modalità wireless.”Research lead James Quach.

Il fenomeno rivelato da questo prototipo potrebbe essere utilizzabile al di là delle batterie quantistiche. Per esempio, potrebbe essere usato per creare nuovi tipi di dispositivi luce‑energia, inclusi sistemi fotovoltaici.

Investire nelle Batterie Quantistiche

QuantumScape

Poiché questo prototipo di batteria quantistica è il primo del suo genere, non esiste ancora un modo diretto per investire in questo concetto. Ma i progressi nella tecnologia delle batterie sono rapidi, e la transizione completa dai veicoli a combustibile ai veicoli elettrici è sempre più probabile in un breve lasso di tempo, poiché i veicoli elettrici avranno presto più potenza, maggiore autonomia e diventeranno più economici da gestire. E questo era prima che una grande crisi dei prezzi del petrolio si profilasse all'orizzonte a causa della guerra con l'Iran.

Una parte chiave di questa evoluzione sono le batterie a stato solido, un tipo di design che elimina l'elettrolita normalmente usato nelle batterie al litio, rendendo la batteria molto più densa e sicura.

Un'azienda leader nel settore è QuantumScape, una società fondata nel 2010 e in una profonda partnership con il Gruppo Volkswagen per aiutare il secondo più grande costruttore automobilistico al mondo a recuperare nel settore della tecnologia EV.

Fonte: QuantumScape

Secondo l'accordo del 2024, PowerCo (dipartimento batterie di Volkswagen) può produrre fino a 40 gigawattora all'anno di batterie per veicoli elettrici, con la possibilità di espandere a 80 GWh all'anno. Consente inoltre a Volkswagen di fornire fino a ulteriori 5 GWh di capacità di riserva che QuantumScape ha ogni anno per clienti al di fuori del Gruppo Volkswagen, oltre al diritto di licenziare alcune future tecnologie QS.

Nel 2025, una batteria QuantumScape è stata incorporata in una Ducati elettrica di alta gamma. Ducati fa parte del gruppo Volkswagen, insieme a marchi automobilistici come Audi, Bentley, CUPRA, Lamborghini, Porsche, SEAT e Škoda.

Il design della batteria di QuantumScape è estremamente denso di energia, molto più alto rispetto ai migliori design al litio utilizzati da Tesla, e si carica 2‑3 volte più velocemente, risolvendo il problema della lenta ricarica dei veicoli elettrici, una questione importante per molti consumatori abituati alle auto a combustibile.

Fonte: QuantumScape

Con una breve tempistica per la commercializzazione e una partnership consolidata con un gruppo automobilistico che vende milioni di auto all'anno, QuantumScape è ben posizionata per diventare uno dei principali fornitori di batterie per i produttori occidentali, con la concorrenza rappresentata da produttori cinesi di batterie come CATL o da aziende relativamente nuove come Donut Labs.

Ora sta aumentando la produzione di massa della sua batteria, con la moto Ducati solo come dimostrazione tecnologica, prima che una nuova linea di veicoli elettrici di Porsche, Audi e altri marchi automobilistici, ricostruiti con batterie QuantumScape al loro interno, arrivi sul mercato.

(Puoi leggere di più su QuantumScape e il suo design a stato solido nel nostro rapporto di investimento dedicato all’azienda e su Volkswagen e la sua strategia EV in questo altro rapporto dedicato.)

Ultime Notizie e Sviluppi di QuantumScape (QS)

Studio Citato

^{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}