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電動(dòng)汽車(chē)鋰電池能量密度提升10倍的希望！量子技術(shù)頻獲重要進(jìn)展

時(shí)間:2022-04-24 10:37來(lái)源:科技酷探 作者:酷探
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       量子對(duì)于很多人來(lái)說(shuō)，可能是個(gè)高深的概念，類(lèi)似于玄學(xué)一樣的存在。但是最近連續(xù)不斷的技術(shù)進(jìn)展證明量子并不是一個(gè)沒(méi)有實(shí)際應(yīng)用的遙遠(yuǎn)概念，選擇了正確的問(wèn)題，就可以完成有非凡影響力的工作。
 
       目前商用的電動(dòng)汽車(chē)鋰電池有磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池，這兩種電池市場(chǎng)已經(jīng)非常成熟，但能量密度和循環(huán)壽命也幾乎達(dá)到了上限。
 
       未來(lái)的電動(dòng)汽車(chē)需要更高的續(xù)航里程、更快的充電速度及壽命更長(zhǎng)的電池，如鋰空氣電池，其理論能量密度高達(dá)11.14kWh/kg；鋰硫電池，其理論能量密度為2.6 kWh/kg。
 
       如此高的理論能量密度極具吸引力，但是研發(fā)的難度也無(wú)比艱巨。只有清楚地了解電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)的行為才能知道困難在什么地方，也才有可能找到解決困難的途徑。
 
       比如越來(lái)越多的研究正在使用高分辨率X射線成像技術(shù)來(lái)拍攝電池內(nèi)部的結(jié)構(gòu)來(lái)觀察電池是如何工作的，旨在找到影響電池壽命的因素從而極大地減緩電池的衰減。
       但是X射線成像技術(shù)無(wú)論分辨率多高，也無(wú)法觀察到更深層次的微觀結(jié)構(gòu)，因此，不論是學(xué)術(shù)界還是工業(yè)界，都逐漸地將目光轉(zhuǎn)向了量子技術(shù)。
 
       早在2012年，量子電池技術(shù)的概念第一次被提出后，在這十年時(shí)間里，陸陸續(xù)續(xù)的研究證明，這不僅僅只是一個(gè)概念，而是正在逐漸變成現(xiàn)實(shí)。
 
       最近，工業(yè)界有越來(lái)越多的汽車(chē)制造商都投入到研究量子計(jì)算中以制造更好、更便宜的電池，量子技術(shù)正在逐漸地應(yīng)用于一個(gè)新的變革性行業(yè)——電動(dòng)汽車(chē)。
 
       如IBM和梅賽德斯-奔馳的母公司戴姆勒公司的研究人員使用量子計(jì)算機(jī)對(duì)三個(gè)含鋰分子的偶極矩進(jìn)行建模，模擬了鋰硫電池在運(yùn)行過(guò)程中可能形成的分子的基態(tài)能量和偶極矩，以幫助他們?cè)O(shè)計(jì)下一代鋰硫電池。
 
       進(jìn)行分子模擬的主要目的是找到化合物的基態(tài)——它最穩(wěn)定的構(gòu)型。這不是一項(xiàng)簡(jiǎn)單的任務(wù)，因?yàn)樗枰M分子中所有粒子（例如電子）之間的相互作用。只有量子計(jì)算機(jī)可以做到這一點(diǎn)，它可以幫助研究人員了解電池內(nèi)部復(fù)雜的分子之間的相互作用，從而找到可以使鋰硫電池穩(wěn)定運(yùn)行的電池化學(xué)材料。
       鋰空氣電池比鋰硫電池具有更高的能量密度，因此具有更大的潛在功率和能力。最近，現(xiàn)代車(chē)企正與初創(chuàng)公司IonQ合作，研究量子計(jì)算機(jī)如何為電動(dòng)汽車(chē)設(shè)計(jì)先進(jìn)的鋰空氣電池，目的是創(chuàng)造迄今為止在量子計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的最大的最先進(jìn)的電池化學(xué)模型。
 
       他們利用量子計(jì)算來(lái)分析和模擬超高能量密度鋰空氣電池的鋰化合物的結(jié)構(gòu)和能量，開(kāi)發(fā)了新的變分量子特征求解器算法，優(yōu)化用于研究鋰化學(xué)。
 
       這類(lèi)算法通常用于量子化學(xué)中，例如，模擬分子的基態(tài)，即分子能量最少的基態(tài)。變分量子特征求解器實(shí)際上是混合算法，其中經(jīng)典計(jì)算機(jī)完成大部分工作，而量子處理器解決傳統(tǒng)機(jī)器難以處理的部分問(wèn)題。
 
       這種模擬分子的目的也是為了找到哪些分子可能對(duì)于電池來(lái)說(shuō)是有用的，即通過(guò)對(duì)電池材料的化學(xué)分析，旨在降低鋰電池的成本、提高電池的耐用性、容量、安全性和充電行為。
       另外，梅賽德斯-奔馳還與另一個(gè)量子計(jì)算機(jī)研發(fā)公司Psiquantum合作，使用量子計(jì)算機(jī)來(lái)加速新型高能量密度電池的研發(fā)。
 
       目前，新型鋰離子電池的開(kāi)發(fā)涉及大量的試驗(yàn)和錯(cuò)誤，造成高昂的研發(fā)成本。他們使用容錯(cuò)量子計(jì)算來(lái)模擬當(dāng)添加不同的電解質(zhì)時(shí)，電解質(zhì)的分子行為是怎么樣的，他們證明了量子計(jì)算機(jī)可以進(jìn)行高效的化學(xué)反應(yīng)模擬。
 
       使用容錯(cuò)量子計(jì)算，可以在數(shù)小時(shí)內(nèi)模擬不可能的電解質(zhì)相互作用，可以對(duì)各種候選分子執(zhí)行該算法所需的資源和成本進(jìn)行全面分析，以節(jié)省研發(fā)投入的資金并加速新型電池的研發(fā)。
 
       量子技術(shù)正在被越來(lái)越多地應(yīng)用到電動(dòng)汽車(chē)電池的研發(fā)中，有望加速新型高能量密度電池的開(kāi)發(fā)。
 
(責(zé)任編輯：子蕊)
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