Dimenticate il litio e le lunghe attese alla colonnina: è stata testata una batteria quantica capace di caricarsi in modo ultra-rapido e di trattenere l’energia 1000 volte più a lungo delle versioni precedenti
La ricerca scientifica continua a esplorare nuovi orizzonti nella tecnologia delle batterie, e l’ultima innovazione arriva direttamente dal mondo quantistico. Un gruppo di ricercatori dell’Università RMIT in Australia, in collaborazione con CSIRO, ha appena pubblicato uno studio su PRX Energy che potrebbe rappresentare un punto di svolta: un prototipo di quantum battery è riuscito a estendere il tempo di conservazione dell’energia di oltre 1.000 volte rispetto alle dimostrazioni precedenti.
Un traguardo che, sebbene ancora lontano dall’applicazione su larga scala, potrebbe avere implicazioni significative anche nel settore della mobilità elettrica. Perché se da un lato oggi ci confrontiamo con limiti fisici e tecnologici delle batterie agli ioni di litio, dall’altro il mondo della meccanica quantistica sta iniziando a offrire soluzioni alternative in grado di migliorare velocità di ricarica e durata dei sistemi di accumulo.
(a) Si prende in considerazione una microcavità composta da due strati: uno con molecole “donatrici” e uno con molecole “accettrici”, separati da uno strato di materiale inerte. Questo serve per evitare che le molecole interagiscano direttamente tra loro. Le molecole donatrici sono scelte perché assorbono molto bene la luce, mentre quelle accettrici assorbono debolmente ma hanno uno stato energetico “nascosto” (chiamato tripletto) in cui possono immagazzinare energia. (b) Il funzionamento del sistema viene descritto con un modello teorico chiamato Jaynes-Cummings, che rappresenta come la luce interagisce con la materia. In pratica, c’è una cavità ottica (simile a uno specchio che intrappola la luce) che è fortemente collegata allo stato eccitato delle molecole donatrici, e debolmente collegata allo stato eccitato delle molecole accettrici. Le molecole accettrici possono anche passare al loro stato “nascosto” (tripletto) attraverso un processo chiamato intersystem crossing o con un accoppiamento molto debole con altre molecole. (c) L’obiettivo è far sì che l’energia venga trasferita agli stati “oscuri” (cioè non radiativi) delle molecole accettrici, in modo da evitare una rapida dispersione dell’energia (un fenomeno chiamato superradianza, che nelle batterie normali porta a una scarica quasi immediata). Invece, trasferendo l’energia a questi stati oscuri, la batteria può conservarla molto più a lungo, arrivando a tempi di autoscarica nell’ordine dei microsecondi (cioè migliaia di volte più lunghi rispetto ai tradizionali nanosecondi).
Extending the Self-Discharge Time of Dicke Quantum Batteries Using Molecular Triplets
Cos’è una quantum battery (e perché ci interessa)
La quantum battery è un concetto teorico sviluppato negli ultimi anni nel campo della fisica quantistica. A differenza delle batterie convenzionali, che accumulano energia attraverso reazioni chimiche, le batterie quantistiche si basano sull’interazione tra luce e materia a livello atomico, sfruttando proprietà come la sovrapposizione quantistica e l’entanglement per accelerare i processi di carica.
In particolare, il team australiano si è concentrato su un modello noto come Dicke Quantum Battery, che prevede l’utilizzo di una microcavità ottica dove le molecole assorbenti interagiscono collettivamente con la luce, permettendo un fenomeno chiamato superassorbimento: un meccanismo per cui più molecole cooperano per assorbire energia in modo esponenzialmente più efficiente.
Il problema? Fino a oggi, queste batterie si scaricavano altrettanto rapidamente, a causa della superradianza, un fenomeno speculare al superassorbimento, che accelera l’emissione spontanea della luce (cioè, la perdita di energia accumulata). Il risultato era un dispositivo capace di caricarsi in nanosecondi… ma anche di scaricarsi in nanosecondi.
Nell’immagine vengono mostrati i cosiddetti polaritoni (stati ibridi di luce e materia) descritti da un particolare modello quantistico, insieme agli stati eccitati (tripletto) della molecola che riceve l’energia. I colori indicano quanto ogni stato contribuisce all’energia immagazzinata, e il cosiddetto “polaritone centrale” (MP) è quello più influenzato dallo stato eccitato singoletto della molecola ricevente. (a) Tripletto “oscuro”: Quando l’energia del singoletto della molecola ricevente coincide con quella di un polaritone “luminoso” (cioè facilmente eccitabile dalla luce), si può creare un tripletto che però non interagisce più con la luce. Questi triplette sono detti “oscuri”, non perdono energia facilmente e quindi durano a lungo: perfetti per accumulare energia. (b) Tripletto “luminoso”: In altri casi, il tripletto si forma direttamente interagendo con un polaritone luminoso. Qui però lo stato rimane parzialmente “visibile” alla luce, e quindi tende a perdere energia rapidamente, riducendo la capacità di accumulo. (c) Meccanismo 1: Qui il tripletto che si forma non riesce a scaricarsi completamente, quindi una buona parte dell’energia rimane immagazzinata anche a lungo. Questo rende il sistema molto efficace per l’accumulo energetico. (d) Meccanismo 2: In questo caso, invece, il tripletto “luminoso” si scarica subito, come i polaritoni stessi, e quindi non riesce a trattenere l’energia: l’accumulo è scarso.
Extending the Self-Discharge Time of Dicke Quantum Batteries Using Molecular Triplets
Il salto quantico: dai nanosecondi ai microsecondi
Nello studio pubblicato su PRX Energy, i ricercatori hanno introdotto una novità cruciale: la separazione tra la fase di assorbimento (la carica) e quella di accumulo dell’energia. Hanno progettato un dispositivo a microcavità multistrato, con una zona “donatrice” che assorbe l’energia attraverso superassorbimento e una zona “accettrice” in grado di immagazzinarla sfruttando stati tripletto molecolari.
Gli stati tripletto sono stati elettronici “oscuri”, ovvero proibiti alla rilassazione radiativa rapida, e dunque in grado di trattenere l’energia per tempi molto più lunghi. Uno dei dispositivi realizzati dal team è riuscito a mantenere l’energia per 40,3 microsecondi, contro i pochi nanosecondi delle versioni precedenti: un miglioramento di oltre 1.000 volte.
E per le auto elettriche?
La domanda sorge spontanea: questa tecnologia potrà mai arrivare sulle auto elettriche? La risposta breve è: non a breve termine, ma le potenzialità sono enormi. Nel mondo dell’auto elettrica, due sono le grandi sfide delle batterie:
Velocità di ricarica, oggi limitata dalle reazioni chimiche e dalla gestione termica;
Densità energetica e durata nel tempo, fondamentali per autonomia e ciclo vita.
Le quantum batteries, in teoria, potrebbero offrire una carica ultrarapida scalabile: più è grande il sistema, più veloce diventa la carica. Un vantaggio che potrebbe essere rivoluzionario non solo per i veicoli elettrici, ma anche per lo stoccaggio energetico da rinnovabili o per il trasporto pesante.
Il limite attuale, però, resta la densità energetica: gli stati eccitati utilizzati nelle quantum batteries non riescono ancora a raggiungere i livelli delle celle agli ioni di litio. Inoltre, la gestione di sistemi quantistici su larga scala richiede condizioni controllate (ad esempio temperature criogeniche) difficilmente compatibili con l’uso automobilistico quotidiano.
Lo studio guidato da Daniel Tibben e dal chimico-fisico Daniel Gómez apre nuove prospettive di ricerca. Infatti, il team sta già lavorando con partner industriali per sviluppare una nuova generazione di dispositivi, e tra gli obiettivi futuri c’è quello di arrivare a una batteria quantistica “coerente”, capace di sfruttare davvero il potenziale dell’entanglement quantistico in condizioni reali.
Tra le possibili applicazioni iniziali ci sono dispositivi elettronici miniaturizzati, celle solari più efficienti, e – in un futuro più lontano – veicoli elettrici dotati di sistemi di accumulo completamente nuovi.
Fonti:
