Quantum Battery의 첫 번째 프로토タイプ, 새로운 형태의 에너지 저장을 만든다

에너지를 저장할 때 주로 사용되는 방법은 khá 일관적이다. 가장 일반적인 방법은 화학 반응을 이용하는 것으로, 리튬과 같은 매우 전기화학적으로 반응하는 원소를 사용하여 금속과 이온 사이에서 전자를 이동시킴으로써 전기 에너지를 저장한다.

또 다른 에너지 저장 방법은 초퍼 캐패시터를 사용하는 것으로, 그래핀과 같은 재료의 표면에 전기 충전을 직접 저장한다. 마지막으로, 열이나 운동 에너지의 형태로 에너지를 저장할 수 있다. 예를 들어, 열 배터리와 플라이휠을 사용할 수 있다.

그러나 호주 연구진이 새로운 에너지 저장 방법을 발견했다. 호주 과학 산업 연구소(CSIRO), RMIT 대학교, 멜버른 대학교의 연구진이 양자 배터리의 초기 프로토タイプ을 개발했다. 이 배터리는 전기 충전, 화학 반응, 또는 열 및 운동 에너지 대신 양자 효과를 이용하여 에너지를 저장한다. 연구진은 Light Sciences & Applications 저널에 발표된 “Superextensive electrical power from a quantum battery”라는 제목의 논문에서 그들의 발견을 설명했다.

양자 배터리란 무엇인가?

화학적 및 전기적 충전 대신, 양자 배터리는 양자 역학의 반直관적 원리, 즉 중첩과 얽힘을 사용한다.

얽힘은 두 개 이상의 입자가 깊게 연결되어 서로의 양자 상태를 공유하는 현象이다. 이들은 서로 떨어져 있어도 동일한 양자 상태를 유지한다.

지금까지 이 아이디어는 이론적으로 광범위하게 연구되었지만, 실제 실험은 거의 없었다.

연구진이 개발한 프로토タイプ의 핵심은 마이크로 캐비티 시스템으로, 빛을 가둘 수 있고 전기로 변환할 수 있다. 이 경우, 연구진은 파브리-페로 캐비티를 사용했는데, 이는 이미 많은 응용 분야에서 사용되고 있다.

Source: Applied Physics B

또 다른 핵심 개념은 빛의 초흡수이다. 이는 초방출의 반대 현象이다. 초흡수는 원자 또는 분子の 집단이 개별 흡수율의 합보다 빠른 속도로 빛을 흡수하는 양자 역학적 현象이다.

결과적으로, 입자 집단은 독립된 입자보다 10배 빠른 속도로 빛을 흡수할 수 있다. 이는 배터리 시스템에 매우 유용할 것이다.

실제로, 초흡수는 실제 설정에서 유지하기 어렵다. 자연계는 일반적으로 빛의 방출을 흡수보다 선호한다.

양자 배터리의 첫 번째 프로토タイプ

연구진은 구리 팔라오시아닌(CuPc)을 사용하여 다층 마이크로 캐비티를 설계했다. 이는 유기 발광 다이오드(OLED)와 太陽能 전지에서 일반적으로 사용되는 밝은 파란색 합성 색소이다.

Source: Light Sciences & Applications

이것은 강한 빛-물질 결합을 생성한다. 즉, 빛과 생성된 전기 전류 사이의 상호작용이다.

“충전 시, 에너지는 CuPc의 불안정한 삼중항 상태로 빠르게 전달되며, 이는 충전 레이저 펄스보다 6차례 더 오래 지속된다. 전기 추출은 전하 전달 계층을 통해 용이하게 된다.”

중요한 것은, 이 설계는 배터리의 용량과 함께 확장적으로 증가하는 전기 출력을 생성한다. 즉, 물질의 양이 많을수록 배터리의 방전 속도는 더 빠르다.

“우리의 연구 결과는 양자 배터리가 더 커질수록 충전 속도가 더 빠르다는根本적으로 양자적인 효과를 확인했다. 현재의 배터리는这样 동작하지 않는다.”

첫 번째 양자 배터리 결과

프로토タイプ는 양자 이론에 의해 예측되지 않았지만 양자 배터리에서 明確한 잠재적 응용을 가진 超 확장형 정상 상태 전기 방전 출력의 첫 번째 실험적 관찰을 보여주었다.

보다 구체적으로, 초고속 분광법을 사용하여 배터리의 충전 특성을 측정했다. 연구진은 양자 배터리가 충전에 걸린 시간보다 6차례 더 오래 에너지를 저장할 수 있음을 발견했다.

“우리는 충전할 수 있는 장치, 에너지를 저장할 수 있는 장치, 그리고 그것을 방전할 수 있는 장치를 만들었다. 이것은 급속하게 성장하는 상호 학제적인 분야에서 흥미로운 발전이다. 양자 배터리는 곧 더 이상 이론적인 아이디어가 아니라 실험실에서 구축할 수 있는 것이 될 것이다.”

또한 마이크로 캐비티가 레이저 또는 일반 光로 충전될 수 있음을 보여주었다. 이는 실제 응용 분야에서 유용할 수 있다.

실제 양자 배터리 개발을 향해

저장된 에너지의 안정화

지금까지 마이크로 캐비티는 에너지를 50 나노초 동안만 안정적으로 유지할 수 있다. 이는 실제 에너지 저장 응용 분야에서는 거의 충분하지 않다.

그러나 이것은 올바른 방향으로 진행되고 있다. 이는 현재의 마이크로 캐비티 양자 배터리가 실온에서 작동할 때의 상태와 비교하여 3차례 더 오래 지속된다. 더 큰 시스템은 설계를 개선하지 않아도 에너지 보존 기간이 더 길어질 것이다.

에너지 추출을 테스트한 결과, 장치는 10-40 마이크로와트/제곱센티미터의 합리적인 최대 방전 전력 밀도를 보여주었다. 이는 고성능 마이크로 초퍼 캐패시터와 비교했을 때 괜찮은 결과이다.

さらに, 이 성능은 실온에서 대기 조건하에서 달성되었다. 이는 양자 현상이 일반적으로 초저온 또는 고압을 요구하는 경우와는 다르다.

이 프로토タイプ는 대용량 에너지 저장 능력을 위한 확장 가능한 경로를 보여주므로 실제 양자 배터리를 개발하는 첫 번째 단계로 볼 수 있다.

다음 단계

다음으로 개선해야 할 것은 설계를 확대하고 더 많은 마이크로 캐비티를 동일한 장치에 포함시킴으로써 실제 성능에서 초흡수가 성능을 얼마나 향상시키는지 측정하는 것이다.

또 다른 중요한 단계는 에너지 저장 기간을 크게 향상시키는 것이다. 더 큰 장치, 더 낮은 온도, 또는 특수한 격자 구조가 도움이 될 수 있다.

“양자 배터리 연구에서 아직 많은 작업이 남아 있지만, 우리는 중요한 발전을 이루었다. 양자 배터리의 다음 단계는 에너지 저장 시간을 연장하는 것이다. 만약 이 장애물을 극복할 수 있다면, 상업적으로 실용적인 양자 배터리에 한 걸음 더 다가갈 수 있을 것이다.”

장기적으로, 이러한 배터리는 화학 기반 배터리 또는 초퍼 캐패시터를 능가할 수 있다. 또한 표준 배터리를 더 빠르게 충전하거나 새로운 유형의 太陽能 전지를 만들기 위한 고속 충전 중계기/버퍼로 사용될 수 있다.

“내 최종 목표는 전기 자동차를 가솔린 자동차보다 더 빠르게 충전할 수 있는 미래를 만들기 위한 것이다. 또는 장거리 무선 충전을 통해 장치를 충전할 수 있는 것이다.”

이 프로토タイプ에서 발견된 현상은 양자 배터리를 넘어서 새로운 유형의 光-전력 장치를 만들기 위한 잠재적인 응용 분야를 가지고 있다.

양자 배터리에 투자하기

QuantumScape

이 양자 배터리 프로토タイプ는 최초의 것이므로, 아직 직접 투자할 방법은 없다. 그러나 배터리 기술의 발전은 빠르며, 연료 차량에서 전기 차량으로의 전환은 짧은 시간 내에 일어날 가능성이 크다. 이는 전기 차량이 더 강력해지고, 더 긴 거리를 주행할 수 있으며, 운영 비용이 더 낮아지기 때문이다. 그리고 이는 주요한石油 가격 충격이 임박한 이란과의 전쟁 이전에 일어난 것이다.

배터리 기술의 발전에 중요한 부분은 고체 배터리이다. 이는 리튬 이온 배터리에서 일반적으로 사용되는 전해질을 제거하여 배터리를 더緊密하고 더 안전하게 만든다.

이 분야의 선도적인 회사 중 하나는 QuantumScape이다. QuantumScape는 2010년에 설립되었으며, 세계 2위 자동차 제조업체인 Volkswagen Group과 협력하여 전기 자동차 기술에서 뒤처진 것을 따라잡기 위한 파트너십을 맺었다.

Source: QuantumScape

2024년 협약에 따르면, PowerCo (Volkswagen의 배터리 부문)는 연간 40 기가와트시의 전기 자동차 배터리를 생산할 수 있다. 이는 80 기가와트시까지 확장할 수 있다. 또한 Volkswagen은 QuantumScape의 추가 5 기가와트시의 용량을 사용할 수 있다.

2025년에는 QuantumScape의 배터리가 고성능 전기 자동차인 Ducati에 탑재되었다. Ducati는 Volkswagen Group의 일부로, Audi, Bentley, CUPRA, Lamborghini, Porsche, SEAT, Škoda와 같은 자동차 브랜드도 포함한다.

QuantumScape의 배터리 설계는 매우 에너지 밀도가 높으며, Tesla의 리튬 이온 배터리보다 2-3배 더 빠르게 충전된다. 이는 전기 자동차의 느린 충전 시간 문제를 해결한다.

Source: QuantumScape

상업화까지의 기간이 짧고, 자동차 그룹과 협력하여 수百만 대의 자동차를 판매할 수 있으므로, QuantumScape는 서구 제조업체를 위한 주요 배터리 공급업체가 될 가능성이 크다. 경쟁사는 중국의 배터리 제조업체인 CATL 또는 Donut Labs와 같은 신규 회사이다.

QuantumScape는 현재 배터리의 대량 생산을 확대하고 있으며, Ducati의 기술 데모 이후, Porsche, Audi, 및 다른 자동차 브랜드의 새로운 전기 자동차가 QuantumScape의 배터리를 탑재하여 시장에 출시될 예정이다.

(QuantumScape와 그들의 고체 배터리 설계에 대한 더 많은 정보는 이 보고서에서 확인할 수 있다. 또한 Volkswagen과 그들의 전기 자동차 전략에 대한 더 많은 정보는 이 보고서에서 확인할 수 있다.)

QuantumScape (QS) 최신 뉴스 및 개발

참고 문헌

^{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}