Universitäten von Alberta und Toronto Verlustfreie Quantenbatterie machbar

Eine verlustfreie Batterie – ist so etwas möglich? Ein Forscherteam der Universitäten von Alberta und Toronto haben ein Konzept für einen solchen Energiespeicher entwickelt – die Quantenbatterie.

»Die Batterien oder Akkus, mit denen wir vertraut sind – zum Beispiel Lithium-Ionen-Akkus – basieren auf den elektrochemischen Prinzipien der klassischen Physik. Quantenbatterien dagegen arbeiten ausschließlich auf quantenmechanischen Prinzipien«, erklärt der Chemiker Gabriel Hanna von der University of Alberta, der diese Studie leitete. Eine Quantenbatterie ist eine Batterie im Nanomaßstab, die für Anwendungen im Nanobereich gedacht ist.

Diese Untersuchung hätte laut Hanna den theoretischen Beweis dafür erbracht, dass es möglich ist, eine verlustfreie Quantenbatterie zu bauen, die im Vergleich zu bislang vorgeschlagenen Quantenbatterien Vorteile bietet. Diese Batterien könnten zu einem wichtigen Teil vieler Quantensysteme werden – beispielsweise zur Versorgung von Quantencomputern – und ließen sich mit aktuellen Halbleitertechnologien fertigen.

Um ihre Idee zu verwirklichen, betrachtete das Forschungsteam ein offenes quantenmechanisches Netzwerkmodell mit hoher Struktursymmetrie. Dieses dient als Grundlage für die Speicherung exzitonischer Energie. Diese fällt an, wenn ein Elektron ein Photon mit ausreichend hoher Energie absorbiert. Dadurch lässt sich Energie verlustfrei speichern, obwohl das System von außen zugänglich ist. Auf Basis dieses Modells schlugen die Forscher auch ein allgemeines Verfahren vor, wie sich die gespeicherte Energie aus der Batterie bei Bedarf entnehmen ließe, indem die strukturelle Symmetrie des Netzwerks kontrolliert zerstört wird.

»Der Schlüssel liegt darin, dieses Quantennetzwerk im sogenannten Dunkelzustand aufzubereiten«, erklärt Hanna. »In diesem Zustand kann das Netzwerk keine Energie mit seiner Umgebung austauschen. Im Grunde genommen macht dies das System gegenüber sämtlichen Umwelteinflüssen unempfindlich. Das bedeutet auch, dass die Batterie sehr resistent gegen Energieverluste ist.«

Zukünftige Forschungsarbeiten sollen praktikable Wege zum Laden und Entladen der Batterie sowie Möglichkeiten zur Skalierung für den Einsatz in der Praxis aufzeigen.

Originalpublikation

Junjie Liu, Dvira Segal, and Gabriel Hanna, Loss-Free Excitonic Quantum Battery, The Journal of Physical Chemistry C 2019 123 (30), 18303-18314, DOI: 10.1021/acs.jpcc.9b06373