Quantenladung verkürzt Ladezeit von Elektrofahrzeugen von zehn Stunden auf drei Minuten
Doch trotz der enormen Verbesserungen in der Batterietechnologie sehen sich Halter und Fahrer von Elektrofahrzeugen nach wie vor mit dem Problem der langsamen Ladegeschwindigkeit der Batterien konfrontiert. Gegenwärtig brauchen die Autos etwa 10 Stunden, um vollständig aufgeladen zu werden. Selbst die schnellsten Supercharger an den Ladestationen benötigen bis zu 20-40 Minuten, um die Fahrzeuge vollständig aufzuladen. Dies verursacht zusätzliche Kosten und Unannehmlichkeiten. Eine mögliche Lösung veröffentlichten Wissenschaftler des koreanischen Institute for Basic Science (IBS) nun in den Physical Review Letters: Quantentechnologien eröffnen neue Mechanismen zum schnelleren Aufladen von Batterien.
Ladesäulen – Foto © Gerhard Hofmann für Solarify
Das Konzept der „Quantenbatterie“ wurde erstmals 2012 in einer bahnbrechenden Arbeit von Alicki und Fannes vorgeschlagen. Darin wurde die Theorie aufgestellt, dass Quantenressourcen, wie z. B. Verschränkung, genutzt werden können, um den Ladevorgang einer Batterie erheblich zu beschleunigen, indem alle Zellen innerhalb der Batterie gleichzeitig und kollektiv aufgeladen werden.
Das ist besonders spannend deshalb, weil moderne Batterien mit großer Kapazität zahlreiche Zellen enthalten können. Eine solche kollektive Ladung ist bei klassischen Batterien, bei denen die Zellen unabhängig voneinander parallel geladen werden, nicht möglich. Der Vorteil dieser kollektiven Ladung gegenüber der parallelen Ladung lässt sich durch ein Verhältnis messen, das als „Quantenladevorteil“ bezeichnet wird. Später wurde festgestellt, dass hinter diesem Quantenvorteil zwei mögliche Quellen stehen können, nämlich der „globale Betrieb“ (bei dem alle Zellen mit allen anderen gleichzeitig sprechen, d. h. „alle sitzen an einem Tisch“) und die „All-zu-All-Kopplung“ (jede Zelle kann mit jeder anderen, aber einer einzigen Zelle sprechen, d. h. „viele Diskussionen, aber jede Diskussion hat nur zwei Teilnehmer“). Es ist jedoch unklar, ob diese beiden Quellen notwendig sind und ob es Grenzen für die erreichbare Ladegeschwindigkeit gibt.
Kürzlich sind Wissenschaftler des Zentrums für Theoretische Physik komplexer Systeme im Institut für Grundlagenforschung (IBS) diesen Fragen weiter nachgegangen. Die Arbeit, die in Physical Review Letters als „Editor’s Suggestion“ ausgewählt wurde, zeigte, dass die Kopplung von allen zu allen in Quantenbatterien irrelevant ist und dass das Vorhandensein globaler Operationen die einzige Zutat für den Quantenvorteil ist. Die Gruppe ging noch weiter, um die genaue Quelle dieses Vorteils zu bestimmen, während sie alle anderen Möglichkeiten ausschloss, und lieferte sogar eine explizite Möglichkeit, solche Batterien zu entwerfen.
Darüber hinaus konnte die Gruppe genau quantifizieren, wie viel Ladegeschwindigkeit in diesem Schema erreicht werden kann. Während die maximale Ladegeschwindigkeit bei klassischen Batterien linear mit der Anzahl der Zellen ansteigt, zeigte die Studie, dass Quantenbatterien mit globalem Betrieb eine quadratische Skalierung der Ladegeschwindigkeit erreichen können. Um dies zu veranschaulichen, betrachten wir ein typisches Elektrofahrzeug mit einer Batterie, die etwa 200 Zellen enthält. Der Einsatz dieser Quantenladung würde zu einer 200-fachen Beschleunigung gegenüber klassischen Batterien führen, was bedeutet, dass die Ladezeit zu Hause von 10 Stunden auf etwa 3 Minuten verkürzt würde. An Hochgeschwindigkeitsladestationen würde sich die Ladezeit von 30 Minuten auf nur wenige Sekunden verkürzen.
Die Forscher glauben, dass die Folgen weitreichend sein können und dass die Auswirkungen der Quantenladung weit über Elektroautos und Unterhaltungselektronik hinausgehen können. So könnte sie beispielsweise in künftigen Fusionskraftwerken zum Einsatz kommen, in denen große Energiemengen in kürzester Zeit geladen und entladen werden müssen. Natürlich stecken die Quantentechnologien noch in den Kinderschuhen, und es ist noch ein weiter Weg, bis diese Methoden in der Praxis eingesetzt werden können. Forschungsergebnisse wie diese weisen jedoch in eine vielversprechende Richtung und können Fördereinrichtungen und Unternehmen dazu veranlassen, weiter in diese Technologien zu investieren. Man geht davon aus, dass Quantenbatterien, wenn sie eingesetzt werden, die Art und Weise, wie wir Energie nutzen, völlig revolutionieren und uns unserer nachhaltigen Zukunft einen Schritt näher bringen würden.
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