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電動汽車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來源:科技酷探 作者:酷探
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       量子對于很多人來說，可能是個(gè)高深的概念，類似于玄學(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)沒有實(shí)際應(yīng)用的遙遠(yuǎn)概念，選擇了正確的問題，就可以完成有非凡影響力的工作。
 
       目前商用的電動汽車鋰電池有磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池，這兩種電池市場已經(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。
 
       未來的電動汽車需要更高的續(xù)航里程、更快的充電速度及壽命更長的電池，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。
 
       比如越來越多的研究正在使用高分辨率X射線成像技術(shù)來拍攝電池內(nèi)部的結(jié)構(gòu)來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)無論分辨率多高，也無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)界有越來越多的汽車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)——電動汽車。
 
       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)行過程中可能形成的分子的基態(tài)能量和偶極矩，以幫助他們設(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)如何為電動汽車設(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題。
 
       這種模擬分子的目的也是為了找到哪些分子可能對于電池來說是有用的，即通過對電池材料的化學(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發(fā)涉及大量的試驗(yàn)和錯誤，造成高昂的研發(fā)成本。他們使用容錯量子計(jì)算來模擬當(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)正在被越來越多地應(yīng)用到電動汽車電池的研發(fā)中，有望加速新型高能量密度電池的開發(fā)。
 
(責(zé)任編輯：子蕊)
文章標(biāo)簽： 電動汽車 鋰電池 量子技術(shù)
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