22.03.2022 - Institute for Basic Science

Neue Technologie soll das Aufladen von E-Autos so schnell machen wie das Tanken von Benzin

Quantenladung wird die Ladezeit von Elektrofahrzeugen von zehn Stunden auf drei Minuten verkürzen

Ob Photovoltaik oder Kernfusion - früher oder später muss sich die menschliche Zivilisation den erneuerbaren Energien zuwenden. Angesichts des ständig wachsenden Energiebedarfs der Menschheit und der Endlichkeit fossiler Brennstoffe wird dies als unvermeidlich angesehen. Aus diesem Grund wurde viel geforscht, um alternative Energiequellen zu entwickeln, von denen die meisten Strom als Hauptenergieträger nutzen. Die umfangreichen Forschungs- und Entwicklungsarbeiten im Bereich der erneuerbaren Energien wurden von allmählichen gesellschaftlichen Veränderungen begleitet, da die Welt neue Produkte und Geräte, die mit erneuerbaren Energien betrieben werden, annahm. Die auffälligste Veränderung in jüngster Zeit ist die rasche Einführung von Elektrofahrzeugen. Während sie noch vor 10 Jahren kaum auf den Straßen zu sehen waren, werden heute jährlich Millionen von Elektroautos verkauft. Der Markt für Elektroautos ist einer der am schnellsten wachsenden Sektoren und hat dazu beigetragen, dass Elon Musk der reichste Mann der Welt geworden ist.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Autos, die ihre Energie aus der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen gewinnen, sind Elektroautos auf Batterien als Energiespeicher angewiesen. Lange Zeit hatten die Batterien eine weitaus geringere Energiedichte als die Kohlenwasserstoffe, was zu sehr geringen Reichweiten der ersten Elektrofahrzeuge führte. Durch die schrittweise Verbesserung der Batterietechnologien konnten die Reichweiten von Elektroautos im Vergleich zu Benzinautos jedoch auf ein akzeptables Niveau gebracht werden. Es ist keine Untertreibung, dass die Verbesserung der Batteriespeichertechnologie einer der wichtigsten technischen Engpässe war, die gelöst werden mussten, um die gegenwärtige Revolution der Elektrofahrzeuge in Gang zu setzen.

Doch trotz der enormen Verbesserungen in der Batterietechnologie sehen sich die Verbraucher von Elektrofahrzeugen heute mit einem weiteren Problem konfrontiert - der langsamen Ladegeschwindigkeit der Batterien. Derzeit brauchen Autos etwa 10 Stunden, um zu Hause 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 für die Kunden.

Um dieses Problem zu lösen, suchten Wissenschaftler nach Antworten im geheimnisvollen Gebiet der Quantenphysik. Ihre Suche hat zu der Entdeckung geführt, dass Quantentechnologien neue Mechanismen zum schnelleren Aufladen von Batterien versprechen könnten. Das Konzept der "Quantenbatterie" wurde erstmals in einer bahnbrechenden Arbeit von Alicki und Fannes aus dem Jahr 2012 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.

Dies ist besonders spannend, da 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, etwa im Jahr 2017, 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 der Fachzeitschrift 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 sagen, dass die Folgen weitreichend sein können und dass die Auswirkungen des Quantenladens weit über Elektroautos und Unterhaltungselektronik hinausgehen können. Sie könnte 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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