閱讀要點

• 量子物理如何為非化學電池開辟可行技術路徑

• 科研團隊如何試制出首款量子電池原型

• 原型機實測取得的關鍵研究成果

澳大利亞聯邦科學與工業研究組織（CSIRO）、皇家墨爾本理工大學（RMIT）與墨爾本大學聯合組成三人科研團隊，成功研發出概念驗證級量子電池，可實現充電、儲能與釋能完整工作循環。

量子電池：儲能領域的潛在顛覆性技術？

這套全新技術有望實現超快充電與更大儲能容量，是研發實用化非化學電池技術的重要里程碑。團隊表示，該原型機是目前最接近可商用實用量子電池的研究進展。

其原理依托成熟量子物理理論，多數特性違背直覺、看似與經典物理相悖，但在現代物理體系中擁有獨立理論框架。

盡管具備完整功能的量產量子電池尚未問世，但研究人員認為，此類突破未來或將徹底重塑全球能源存儲與利用模式。

（注：幾乎所有電池技術 “重大突破” 的報道中，都常見這類樂觀前景預判。）

量子電池還有一項獨特特性。團隊成員、博士生丹尼爾?蒂本恩表示，研究發現了一項意料之外的優勢：

“我們研究證實，量子電池體積越大，充電速度反而越快，這與現有所有傳統電池的特性完全相反。”

他補充道：“這意味著量子電池未來有潛力全面超越傳統儲能技術。”

（又是一項基于早期實驗室演示給出的樂觀技術前景預測。）

量子電池工作原理

傳統電池大多依靠化學反應儲能放電，而量子電池依托量子疊加態，以及光與電子之間的相互作用實現能量轉換。

超廣延性（Superextensivity） 是其核心特性：物理系統的響應能力隨尺寸呈現超線性增長。該效應源于集體量子作用，為下一代量子技術升級提供了全新方向。

研究團隊采用微腔量子電池作為實驗載體。借助超廣延效應，從聚焦光源中捕獲光能；同時在諧振微腔內部集成電荷傳輸層，將光能直接轉化為電流。

這一架構首次實現了量子電池完整的充放電循環。

在量子電池中，量子糾纏可以減少充電過程中量子態的躍遷數量，也能激發集體量子效應，增強電池與能源之間的耦合效率。

理論上，量子電池具備奇異物理特性：充電功率增速超過電池容量增速，這就是前述的超廣延性。

實驗證實：微腔引發的強光 - 物質耦合，能在低強度非相干光照條件下，讓穩態放電功率呈現超廣延增長特性。

該成果首次在穩態工況下實驗驗證了超廣延光 - 電能量轉換，證明利用強光 - 物質耦合，可在弱光環境下大幅提升能量采集效率。

圖2為強光 - 物質耦合優化的量子電池結構

原型機結構與設計原理

團隊研發的原型機為小型層狀有機器件，可通過激光實現無線充電。

這是全球首臺具備完整功能的概念驗證量子電池，由澳大利亞 CSIRO 聯合墨爾本大學、皇家墨爾本理工大學共同研制。

電池采用多層微腔結構設計，諧振頻率精準匹配吸收分子酞菁銅（CuPc） 的基態至第一激發單重態躍遷，從而形成強光 - 物質耦合效應。

電荷傳輸層構建能級梯度，促進電荷分離與定向傳輸；同時具備電荷阻擋功能，抑制不必要的電荷復合損耗。

在穩態非相干光源照射下，強光 - 物質耦合可使電池放電功率隨容量呈超廣延增長。

實驗演示與測試結果

為驗證量子電池的電能輸出優勢，團隊測算并繪制了外量子效率（EQE），即逸出電子數與入射光子數的比值曲線。

對比測試顯示：量子電池的光電轉換效率是對照組普通器件的 3 倍。

研究還實測了器件放電功率，繪出代表性樣機 D5 及其無諧振腔對照組的電流 - 電壓（I-V）特性曲線、穩態放電功率曲線。

放電功率曲線峰值點，即為能量提取的最佳工作工況。

實測數據顯示，該量子電池最大放電功率密度區間為 10–40 微瓦 / 平方厘米；對標高性能微型超級電容（功率密度 30.2–176.5 微瓦 / 平方厘米），性能處于合理可比區間。

這項研究涉及極為晦澀深奧的量子物理細節，包含達維多夫分裂電子態等專業理論，相關制備、測試設備也高度專業小眾，與常規光電、光子器件研發設備完全不同。

研究團隊指出，過往量子電池研究多停留在理論層面，實驗實證成果十分稀缺。

本研究首次完整實驗演示了量子電池全工作循環：從超吸收、光能亞穩態儲能，到以超廣延方式將能量轉化為電流輸出。

團隊稱，該原型機是量子電池技術發展進程中具有決定性意義的關鍵突破。