全球首個(gè)量子電池原型揭秘 飛秒充電還有多遠(yuǎn)

你有沒有過這樣的崩潰時(shí)刻：臨出門才發(fā)現(xiàn)手機(jī)沒電，只能插上超級快充，一邊心疼著電池壽命，一邊還要熬半小時(shí)等它充滿；又或者開電動汽車出游，親友們都在盡興玩樂，你卻要獨(dú)自去尋找充電樁，之后還要守在車旁熬幾小時(shí)等電量補(bǔ)滿？

可如果我告訴你，有一種電池能徹底終結(jié)這類煩惱——從0%到100%電量，充電可以“瞬間”完成，而且容量越大，充電反而越快，你敢信嗎？

最近，來自澳大利亞的CSIRO團(tuán)隊(duì)就展示了全球首臺可完整充放電的量子電池原型機(jī)，能實(shí)現(xiàn)一種飛秒級（femtosecond，也叫毫微微秒，1飛秒是1秒的一千萬億分之一）的超快充電，用量子力學(xué)的集體效應(yīng)打破了傳統(tǒng)電池的充電耗時(shí)規(guī)律。一旦應(yīng)用，這種電池有望為量子計(jì)算機(jī)、無人機(jī)、電動汽車乃至日常手機(jī)提供全新動力方案，大幅提升其使用體驗(yàn)，帶來一場顛覆認(rèn)知的量子能源革命。

現(xiàn)有的電動車鋰電池，充電速度一般較為緩慢，而強(qiáng)行快充會縮短電池壽命

圖片來源：the rabbit * lapin

Part.1 容量越大充電越慢？量子電池：我偏不

傳統(tǒng)電池的底層邏輯早已刻進(jìn)我們的固有印象：那就是容量越大，充電越慢。都不用快充模式的話，手機(jī)的充電功率較低，卻可以在2小時(shí)之內(nèi)充滿，而電動汽車即便充電功率較高，也需要熬上一整夜才能充夠，這個(gè)看似天經(jīng)地義的規(guī)律，如今卻被量子電池所挑戰(zhàn)。那么同樣是電池，為何二者的表現(xiàn)是相反的呢？

對于傳統(tǒng)鋰電池而言，它存儲能量是依靠電極材料中的離子嵌入/脫嵌過程和電解質(zhì)中的電荷遷移來完成的。在充電時(shí)，電解質(zhì)里的鋰離子需要像跑馬拉松一樣，從正極開始遷移并最終嵌入到負(fù)極的晶格中，當(dāng)容量變大、化學(xué)反應(yīng)面就會變多、電荷遷移的路徑（相當(dāng)于馬拉松賽程的距離）也就會越長，這就導(dǎo)致充電時(shí)間會隨容量的增長而增加，因此在兼顧電池的容量和效率方面存在物理瓶頸。

但量子電池卻可以依托自身的量子力學(xué)特性，完全跳出化學(xué)電池的束縛——量子世界存在集體效應(yīng)（超廣量效應(yīng)）。在量子電池里，多個(gè)量子單元被封裝在一起時(shí)，會共同參與能量吸收，這些合作者之間還會出現(xiàn)一種耦合效應(yīng)，讓每個(gè)量子單元都在“協(xié)作”的同時(shí)，暗中提升自己的效率，最終使得整體的能量傳遞效率呈超線性增長。

量子電池的層狀結(jié)構(gòu)示意圖，各部分的原料和功能都做了標(biāo)注

圖片來源：Hymas et al., Light: Sci. Appl., 2026

這就好比蜂群協(xié)同勞作——當(dāng)少數(shù)蜜蜂外出時(shí)，它們彼此間相距很遠(yuǎn)，難以有效地協(xié)作與交流，只能靠每個(gè)個(gè)體單干，所以采蜜效率平平；而當(dāng)它們匯聚成龐大的蜂群后，個(gè)體之間的默契配合、分工聯(lián)動更容易實(shí)現(xiàn)，結(jié)果就是蜂群搜尋花蜜、搬運(yùn)回巢的整體效率得以成倍暴漲，整體產(chǎn)出效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出單只蜜蜂能力的簡單疊加，實(shí)現(xiàn)一種“一加一遠(yuǎn)大于二”的協(xié)同增效效果。

在原型機(jī)中，這種集體效應(yīng)帶來的充電效率提升成功抵消掉了儲電單元增加所帶來的時(shí)耗增加。最終使得整塊電池的充電速度隨著體積的增大而增加。

澳大利亞科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室中研發(fā)量子電池原型

圖片來源：Stefan Stoev/CSIRO

Part.2 未來已來？飛秒快充+隔空充電齊上陣

既然是量子電池，沒點(diǎn)黑科技傍身豈不是太沒排面了？這就不得不提到研究團(tuán)隊(duì)這次直接解鎖的兩大行業(yè)顛覆級“神技能”：飛秒級超快充電和激光無線充電。

你知道什么是飛秒嗎？那可是（10?1?秒）！這是什么概念呢？飛秒之于一秒，就好像一秒之于約3200萬年那樣。量子電池的原型機(jī)在這個(gè)時(shí)間尺度范圍內(nèi)就可以完成充電，而儲能時(shí)間卻能達(dá)到納秒級別（10??秒）。兩者相差的可是整整6個(gè)數(shù)量級。雖然目前看來，這個(gè)儲電時(shí)間還遠(yuǎn)不可能支持實(shí)際應(yīng)用，但這個(gè)時(shí)間差其實(shí)為將來的技術(shù)放大提供了核心可能。將來若能將量子電池提升到應(yīng)用級規(guī)模，理論上它的充電也可以實(shí)現(xiàn)幾乎“瞬間充滿”，出門前等著電動汽車、手機(jī)充電的經(jīng)歷或?qū)⒊蔀闅v史。

光譜圖展現(xiàn)出量子電池充電后，激發(fā)態(tài)能量（紅色）可穩(wěn)定儲存數(shù)十納秒，同時(shí)基態(tài)信號（藍(lán)色）同步恢復(fù)，這說明該儲能方案基本可行

圖片來源：Hymas et al., Light: Sci. Appl., 2026

除此之外，這種量子電池將來或許還可以適配一種新型充電裝置——高能激光。有了它，一些需要長時(shí)間遠(yuǎn)程運(yùn)作的設(shè)備，比如飛行中的無人機(jī)，就可以通過接受激光照射，直接“空中加電”，整個(gè)過程無需降落，也不用插線，實(shí)用性直接拉滿。至于未來的電動汽車，甚至可能在高速行駛的過程中，通過路邊的激光基站邊跑邊充，實(shí)現(xiàn)感知上的無限續(xù)航！

Part.3 原型雖“香”，離量產(chǎn)還有幾道坎？

盡管這款全球首個(gè)量子電池已經(jīng)完成了完整的充放電流程，但畢竟，它目前還只是實(shí)驗(yàn)室里的“初生寶寶”，距離真正走進(jìn)咱們的手機(jī)和汽車，還有好幾關(guān)要闖呢！

首先是容量問題。目前原型機(jī)電池的容電量還特別迷你，儲能時(shí)間也短得可憐，首席研究員James Quach表示，目前的原型機(jī)僅能存儲數(shù)十億電子伏的能量，這點(diǎn)電量有多少呢？其實(shí)還不到一顆紐扣電池的千分之一——如果把手機(jī)充滿電需要的能量比作一個(gè)浴缸的水，那這臺量子原型機(jī)目前能儲存的能量，大概只有一滴水。

看起來十分精致的量子電池原型

圖片來源：CSIRO

其次是量產(chǎn)技術(shù)難題——到底該如何把現(xiàn)在這種精密的微腔結(jié)構(gòu)放大到工業(yè)量產(chǎn)級別，同時(shí)保證量子集體效應(yīng)所帶來的充電速度提升不被其他因素抵消掉呢？這仍然是個(gè)實(shí)打?qū)嵉挠埠藛栴}！至于激光無線充電方案，我們至少還需要解決高功率激光照射的安全問題，總不能為了充電方便，就給大眾都配備殺傷性極強(qiáng)的“激光炮”吧？

用高能激光進(jìn)行遠(yuǎn)程充電必須解決好安全性問題，不然充電裝置就成武器裝置了

圖片來源：《星球大戰(zhàn)》

Part.4 未來產(chǎn)業(yè)前瞻：量子電池在2040年前難以替代鋰電池

?理論提出（2013年前后）?：波蘭科學(xué)家R. Alicki 和比利時(shí)科學(xué)家M. Fannes 首次從量子熱力學(xué)角度提出“量子電池”概念。后續(xù)有科學(xué)家預(yù)言利用?量子糾纏?或?超吸收（superabsorption）?效應(yīng)可實(shí)現(xiàn)充電功率隨規(guī)模增大而提升（非線性加速），突破經(jīng)典電池“越大越慢”的限制。??

?原理驗(yàn)證（2022年）?：澳大利亞James Quach團(tuán)隊(duì)（阿德萊德大學(xué)/CSIRO）在有機(jī)分子微腔（Lumogen-F染料+分布式布拉格反射器）中實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證?超吸收效應(yīng)?：系統(tǒng)尺寸增大，光吸收/充電速率加快；但僅實(shí)現(xiàn)?充電閉環(huán)?，無法有效存儲或提取電能，屬“光能暫存”而非完整電池功能。??

?全循環(huán)原型（2026年3月）?：CSIRO聯(lián)合墨爾本大學(xué)、RMIT在《光：科學(xué)與應(yīng)用》發(fā)布全球首臺?充–儲–放全周期可控?的量子電池原型，基于室溫有機(jī)微腔，實(shí)現(xiàn)?飛秒級充電?、?納秒級儲能?及毫秒級放電，能量容量約十億電子伏特，雖僅夠驅(qū)動微納電路，但標(biāo)志著從“現(xiàn)象演示”邁向“功能器件”。

?工程優(yōu)化（當(dāng)前至未來10–20年）?：

研發(fā)現(xiàn)狀：領(lǐng)域正從簡單原理驗(yàn)證向多體、可擴(kuò)展固態(tài)平臺過渡。研究焦點(diǎn)包括：基于中性原子陣列的規(guī)模化充電、退相干抑制、無損充電協(xié)議、無線量子充電方案以及可提取功的優(yōu)化。有機(jī)微腔、超導(dǎo)電路和自旋系綜是目前最主要的實(shí)驗(yàn)平臺。

現(xiàn)實(shí)定位：所有實(shí)驗(yàn)仍處于實(shí)驗(yàn)室原理驗(yàn)證階段，所實(shí)現(xiàn)的“電池”在能量容量、存儲時(shí)間上與實(shí)用電池差距極大。例如，當(dāng)前實(shí)驗(yàn)裝置所存能量僅為一節(jié)5號電池約10的負(fù)14次方倍，存儲壽命尚在納秒至微秒量級。

未來展望：工程化的核心挑戰(zhàn)在于將超短壽命的量子激發(fā)能量轉(zhuǎn)移至長壽命中間態(tài)，實(shí)現(xiàn)毫秒級以上的有效存儲，同時(shí)抑制室溫退相干。主流共識認(rèn)為，量子電池在2040年前難以替代鋰電池，其最先可能應(yīng)用的場景為量子計(jì)算系統(tǒng)供能、超快脈沖電源或高靈敏光能捕獲器件。坊間雖有企業(yè)宣稱布局，但目前尚無任何經(jīng)實(shí)證的商業(yè)化原型。

1. https://www.theguardian.com/science/2026/mar/18/world-first-quantum-battery-australian-scientists-say
2. https://www.nature.com/articles/s41377-026-02240-6
3. https://www.csiro.au/en/news/All/News/2026/March/Quantum-battery-full-cycle

作者：蝌蚪君

審核：劉穎 李培元

審核專家：梁文杰 中科院物理研究所 研究員