雷聲大雨點小?量子電池會照進現(xiàn)實嗎?

　　【PConline 雜談】在一年一度的換機潮中，CPU、GPU、相機、RAM、ROM都是廠商們愛大做文章的地方，也是近些年變化、進步最大的地方。相較之下，電池技術(shù)進步就有些相形見絀了，每年大概只有10%能量密度上的提升，廠商介紹時也只能用索尼/三星的電芯來烘托出高大上的感覺。在實際的用戶體驗中，電池續(xù)航也成了明顯的短板，畢竟續(xù)航不夠，性能再強也是白搭。

　　近些年各種快速充電技術(shù)層出不窮，但電池本身在商用層面卻沒有什么突破。雖然有石墨烯電池、“雞蛋”電池、鋰陽極電池、硅電池等等各種具有科幻色彩的電池技術(shù)已經(jīng)被新聞報道過，但投向市場卻遙遙無期，不少相關(guān)的新聞下都是網(wǎng)友“何時可用”的吐槽。近期，又有來自英國、意大利等四國的物理學家在英國物理學會刊物《新物理學》雜志上提出了“量子電池”的概念，以理論證明了多量子比特相互糾纏而產(chǎn)生的“量子加速”能為充電提供捷徑，充電比傳統(tǒng)鋰電池更快。今天，我們就量子電池聊聊手機電池技術(shù)這些事。

量子電池的前世今生

　　說起量子電池，這并不是近期才被科學家發(fā)現(xiàn)的新技術(shù)。早在2012年，波蘭格但斯克大學的Robert Alicki和比利時魯汶大學的Mark Fannes就聲稱，人類可以利用量子糾纏技術(shù)制造出接近100%能量轉(zhuǎn)換率的量子電池。

　　具體而言，就是一個量子系統(tǒng)具有一個量子態(tài)，某些物質(zhì)的量子態(tài)擁有一些可以使其返回被動、中立狀態(tài)的微量能量，而這些能量是可以人為提取出來的。兩位科學家談到，他們能夠由此建立一個充滿豐富能量的量子態(tài)的量子電池，而在能量耗盡后又可以通過充電來使他們恢復。

量子電池的本質(zhì)是量子糾纏

　　更重要的是，兩位科學家認為可以利用量子糾纏來設(shè)計一個更高效的量子電池。這種電池可以通過任意數(shù)量的量子連接在一起，從而可以大量汲取能量，如果有足夠多的量子糾纏，這種電池將會是完美的——它在充電或放電時將不會有任何的損失。

　　當然，當時提到的量子電池只是建立在理論層面的。到了2014年，日本的Micronics Japan公司與Guala Technology公司共同開發(fā)了名為“battenice”量子電池，它的放電特性和化學電池一樣可保持一定電壓，實現(xiàn)1.5V電壓、500Wh/L能量密度、8000W/L輸出功率密度，充放電壽命（維持在初期容量的90％以上時）為10萬次，工作溫度范圍-25～+85℃。

battenice電池的工作原理

　　在Micronics Japan公司的介紹中，battenice電池有以下優(yōu)點主要有6點:：全固體構(gòu)造，無需擔心漏液；因不使用可燃性材料，無需擔心過熱起火；不使用稀有金屬和稀土材料，無需擔心資源短缺；不使用環(huán)境負荷高的物質(zhì)，有利于環(huán)保；充放電壽命長（加速試驗已證實可充放電1萬次以上，現(xiàn)正以10萬次為目標開發(fā)），有利于減少廢棄物；輸出功率密度與電容器比肩。最重要的是，battenice電池在當年就實現(xiàn)了量產(chǎn)。

　　總體而言，量子電池最大的好處一是充電快，二是能量轉(zhuǎn)化率高。

鋰電池的停滯發(fā)展

　　這些年其它電子元件雖然進步神速，但鋰離子電池的發(fā)展卻幾乎停滯不前，使用的化學成分和20年前一模一樣，這也是現(xiàn)在新型電池技術(shù)受到大家高度關(guān)注的原因。而鋰離子電池技術(shù)雖然有體積小、可充電、電壓高等等優(yōu)點，但卻有能量密度和熱敏感性兩個方面的不足。

　　能量密度決定了特定體積或重量的電池的運行時間。不幸的是，摩爾定律不適用于電池。自從首批鋰離子電池1991年進入市場以來，它們所驅(qū)動的設(shè)備晶體管數(shù)量增加了千百倍，但鋰離子電池的能量密度卻只提升了三倍。而增加能量密度的一個方法是提高封裝效率。比如，現(xiàn)在用于大多數(shù)智能手機的不可拆卸式袋裝鋰離子電池取消了可拆卸式電池 所需的保護殼，依靠智能手機外殼來進行保護，為真正儲存能量的活性物質(zhì)提供更多空間。

手機空間的狹小使電池容量提升非常困難

　　鋰離子電池的另一個缺陷是熱敏感性，它的化合物會和殘留水分發(fā)生化學反應，產(chǎn)生氫氟酸，這是最具腐蝕性的化合物。如同所有的化學反應一樣，溫度每提高10攝氏度，這個過程的速度就提高一倍，智能手機就會發(fā)燙。

　　而量子電池對于智能手機而言，首先就解決了充電速度上的問題，其次它能量的高轉(zhuǎn)化率也使得鋰離子電池使用時間一長容量會縮減的問題得到改善。除此之外，安全性、環(huán)保這些量子電池特有的屬性，在當下安全事故頻發(fā)、電子垃圾增多的背景下也尤為重要。

量子電池的商用困境

　　量子電池雖然優(yōu)勢明顯，但要實際商用在手機中，還是有一個不能忽略的問題——能量密度。

采用了高能量密度電池的國產(chǎn)手機

　　鋰離子電池雖然發(fā)展緩慢，能量密度增長乏力，但至今也發(fā)展出了700Wh/L能量密度以上的技術(shù)，而上文我們提到的battenice電池能量密度僅為500Wh/L，而且如果沒有技術(shù)性突破，能量密度很難大幅提高。意大利物理學家約翰·古爾德表示：“量子系統(tǒng)的儲電量比日常用電設(shè)備要小好幾個數(shù)量級。我們只是從理論上證明了在給一個系統(tǒng)輸入能量時，量子物理能帶來加速。”所以目前而言使用量子電池不但對續(xù)航的延長沒有幫助，反而會使手機的成本上升，那自然不會有廠商愿意選擇。

三星將推出750WhL的鋰電池

　　另外，縱然鋰離子電池發(fā)展再緩慢，它畢竟是一項成熟的技術(shù)，成本低、風險��；同時，量子電池快速充電的特性在面對快充技術(shù)流行的當下也沒有壓倒性的優(yōu)勢。

總結(jié)

　　相比其他還停留在實驗室階段的電池技術(shù)，已經(jīng)可以量產(chǎn)的量子電池的確讓大家看到了一絲突破的曙光，它擁有的充電快、高轉(zhuǎn)化、綠色環(huán)保特性保證了其未來寬廣的發(fā)展，但目前能量密度低的短板卻死死遏制了它用于移動設(shè)備上的可能性。

　　但新技術(shù)的出現(xiàn)總歸是讓人喜聞樂見的，量子電池的研究人員也表示將進一步研究熱力學過程中的量子效應，以便更好地理解量子電池的潛在應用，所以對于量子技術(shù)我們依然可以抱有期待。