Minh họa xe điện ngày nay (trên) với xe điện tương lai dùng công nghệ pin lượng tử (dưới) giúp tốc độ sạc tăng gấp 200 lần. Ảnh: IBS
Những cải tiến vượt bậc trong công nghệ pin giúp người lái xe điện ngày nay có thể đi được những quãng đường dài. Tuy nhiên, họ vẫn phải đối mặt với một khó khăn lớn là tốc độ sạc pin chậm. Hiện tại, xe điện thường mất khoảng 10 tiếng để sạc đầy tại nhà. Những bộ sạc siêu nhanh tại các trạm sạc cũng cần 20 - 40 phút cho xe đầy pin. Điều này khiến người dùng cảm thấy bất tiện và tốn thêm chi phí.
Để giải quyết vấn đề này, các nhà khoa học thử tìm kiếm câu trả lời trong lĩnh vực vật lý lượng tử và phát hiện, công nghệ lượng tử có thể hứa hẹn những cơ chế mới giúp sạc pin nhanh hơn. Công nghệ pin lượng tử được đề xuất lần đầu tiên trong một nghiên cứu xuất bản năm 2012 của hai nhà khoa học Robert Alicki và Mark Fannes. Giả thuyết đặt ra là các tài nguyên lượng tử, ví dụ rối lượng tử, có thể dùng để tăng tốc đáng kể quá trình sạc pin bằng cách sạc tất cả tế bào (cell) trong pin cùng lúc theo kiểu tập hợp.
Pin hiện đại dung lượng cao có thể gồm rất nhiều tế bào. Trong pin truyền thống, các tế bào được sạc song song độc lập với nhau. Ưu điểm của sạc tập hợp so với sạc song song có thể đo lường bằng "lợi thế sạc lượng tử".
Khoảng năm 2017, các nhà nghiên cứu nhận thấy có thể có hai nguyên nhân đằng sau lợi thế lượng tử này. Đó là vận hành toàn cầu (trong đó mọi tế bào trao đổi với tất cả các tế bào khác cùng lúc, giống như mọi người ngồi chung một bàn trong cuộc thảo luận) và ghép cặp toàn bộ (nhiều cuộc thảo luận diễn ra, nhưng mỗi cuộc chỉ có hai người). Tuy nhiên, giới chuyên gia khi đó chưa rõ liệu có phải cả hai điều này đều cần thiết và liệu có giới hạn về tốc độ sạc tối đa hay không.
Các nhà khoa học tại Trung tâm Vật lý Lý thuyết về các Hệ thống Phức tạp thuộc Viện Khoa học Cơ bản (IBS), Hàn Quốc, tìm hiểu thêm về những câu hỏi này và nhận được một số đáp án. Nghiên cứu mới xuất bản trên tạp chí Physical Review Letters hôm 21/3.
Theo đó, ghép cặp toàn bộ không liên quan đến pin lượng tử và sự hiện diện của vận hành toàn cầu là yếu tố duy nhất trong lợi thế lượng tử. Nhóm nghiên cứu tiếp tục chỉ ra nguồn gốc chính xác của lợi thế này, loại trừ các khả năng khác, thậm chí đề xuất một phương pháp thiết kế dạng pin như vậy.
Ngoài ra, họ cũng định lượng tốc độ sạc có thể đạt được nhờ công nghệ mới. Trong khi tốc độ sạc tối đa tăng tuyến tính theo số lượng tế bào trong pin truyền thống, nghiên cứu mới cho thấy pin lượng tử ứng dụng vận hành toàn cầu có thể khiến tốc độ sạc tăng bình phương.
Ví dụ, với một chiếc xe điện điển hình có pin gồm khoảng 200 tế bào, việc sử dụng công nghệ sạc lượng tử sẽ giúp tăng tốc 200 lần so với pin truyền thống, đồng nghĩa thời gian sạc tại nhà giảm từ 10 tiếng xuống còn khoảng 3 phút. Tại các trạm sạc tốc độ cao, thời gian sạc sẽ giảm từ 30 phút xuống chỉ còn 9 giây.
Nhóm nghiên cứu cho rằng ảnh hưởng của sạc lượng tử có thể vượt xa ôtô điện và thiết bị điện tử tiêu dùng. Ví dụ, các chuyên gia có thể ứng dụng công nghệ này trong các nhà máy điện nhiệt hạch tương lai, loại nhà máy đòi hỏi một lượng lớn năng lượng được sạc và xả trong thời gian cực ngắn.
Các công nghệ lượng tử vẫn còn thô sơ và cần phát triển thêm nhiều mới có thể triển khai thực tế. Tuy nhiên, những nghiên cứu như trên sẽ tạo ra một hướng đi đầy hứa hẹn, thúc đẩy các cơ quan và doanh nghiệp đầu tư hơn vào loại công nghệ này.
Thu Thảo (Theo Phys)