综述：量子电池：通过量子系统实现的能量存储模型与物理方法

《Journal of Energy Storage》：Quantum batteries: Energy storage models and physical approaches via quantum systems

量子电池作为新兴理论模型，通过量子纠缠和集体协议突破经典电池的性能限制，其核心优势在于提升充电功率而非能量密度。研究比较了超导量子比特、核自旋及有机分子平台的理论模型与实验进展，指出退相干和量子速度极限对实际应用的制约，同时提出量子热力学与经典储能技术的融合路径。

　　

Nevin Ta?alt?n | Dilber Esra Y?ld?z

马尔泰佩大学，基础科学系，伊斯坦布尔，土耳其

摘要

量子电池是一个快速发展的概念，它在量子力学框架内重新定义了能量存储和充电过程。与传统电化学电池不同，量子电池的性能不是由能量密度决定的，而是由充电功率决定的，而充电功率可以通过量子关联和集体协议得到增强。本文从能量存储科学的角度批判性地审视了量子电池，强调了各向异性、量子速度极限和退相干性对传统技术的基本启示。我们将理论模型与超导量子比特、核自旋和有机分子平台上的原理验证实验进行了比较，同时指出了它们的潜力以及在现实条件下的局限性。通过整合量子热力学的见解与实际能量存储挑战，我们确定了在混合架构、可扩展性和噪声抑制方面的具体研究方向。我们的分析将量子电池视为揭示能量传输基本限制和机遇的模型系统，而不是立即替代传统设备的方案，从而指导下一代能量存储技术的设计。

引言

能量存储技术在现代能源系统的连续性和效率中发挥着关键作用。可再生能源使用的增加导致电力网格中的供需平衡变得更加复杂，这突显了不仅要生产能量，还要高效存储能量的需求。如今，许多电化学电池技术，尤其是锂离子电池，有着广泛的应用，从便携式电子设备到电动汽车和电网规模的能量存储系统[1]，[2]。然而，这些电池技术基本上基于经典的热力学和电化学过程，并面临某些物理限制。传统电池的主要限制包括在较高充电速度下的热损失、电极材料的退化、离子传输的动力学约束以及长期容量损失[3]。在需要快速充电的应用中，能量密度与安全性之间的平衡是一个重要的工程挑战。在这种情况下，探索能够超越传统电池技术物理限制的新能量存储方法在学术和技术上变得越来越重要。量子电池是一种理论系统，在其中能量存储和传输是在量子力学原理的框架内处理的[4]，[5]。需要强调的一点是，量子电池并不是传统意义上的新型电池或可以直接使用的能量存储设备，而是一种用于理解量子层面能量存储过程的建模方法。图1展示了经典和量子能量存储方法的概念比较示意图。（见表1。）

图1a和图1b共同提供了经典和量子能量存储机制的比较概览。图1a展示了传统电池的工作原理，其中能量存储受电化学反应和由HOMO-LUMO能级、导带和价带以及电极-电解质界面定义的带结构控制。能量转换过程通过化学反应实现，通过循环伏安法和容量-时间曲线等实验测量得到支持。相比之下，图1b突出了量子电池的独特特征，强调了离散能级、相干充电以及通过量子叠加和纠缠增强的可逆过程。示意图显示了基态和激发态之间的转换、激光驱动的相干充电以及量子能量向经典输出的转换。综合来看，图1a和图1b强调了从基于化学的传统电池存储方式向量子增强机制的根本转变，从而将后者定位为高效能量转换的有前景的范式。

量子电池概念的核心是将具有离散能级的量子系统作为能量存储的模型。这些系统可以是两级量子系统、多级原子结构、自旋系统或集体量子态[4]。能量通过这些系统的基态和激发态之间的能量差来存储。与传统电池不同，在量子电池中，能量存储过程不仅与存储的总能量有关，还与存储的速度有关。此时，量子电池最显著的特点是量子力学性质（如量子相干性和纠缠性）可以在充电过程中发挥作用。理论研究表明，在包含多个量子系统的电池中，能量可以通过系统间的相互作用来存储[6]，[7]。这种集体行为可能导致充电时间随系统大小的增加而非线性增长。换句话说，在某些条件下，量子电池的充电功率可以比传统电池更快地增加。

量子电池中常用的性能指标不是存储的最大能量，而是充电功率。充电功率定义为单位时间内传输到电池的能量，量子优势的概念通常是根据这个量来讨论的[5]。这种方法表明，量子电池的目标不是提高能量密度，而是揭示能够在更短时间内实现能量存储的基本物理机制。在这方面，这种方法不是传统技术的替代品，而是对能量传输过程的限制提出了质疑。

量子电池模型通常由两级量子系统构建，这些系统在实践中由量子比特表示[4]。然而，使用量子比特并不是量子电池的必要条件。量子比特因其离散的能级和明确的动力学而成为简化理论分析的工具。更一般地说，任何具有可控能级的量子系统都可以被视为量子电池模型。这种情况表明，量子电池的概念不仅限于量子信息处理，还在能量存储科学中有更广泛的应用。量子电池也应被视为开放的量子系统。在现实条件下，量子系统不可避免地与其环境相互作用，导致能量损失、退相干和衰减[8]。这些效应是限制量子电池性能的基本因素之一。从能量存储科学的角度来看，这引发了关于量子电池实际应用性的重要问题。然而，理解和控制量子层面的能量损失机制也提供了基本见解，这些见解可以间接惠及传统电池技术。

最近的综述主要在量子技术和凝聚态物理的背景下讨论了量子电池[5]，[9]。最近，Ferraro及其同事[10]讨论了量子电池的机会和挑战，而Kurman等人[11]强调了它们作为计算内在能源的潜力。这些贡献表明，量子电池主要被置于量子信息科学和量子技术的框架内。相比之下，本综述明确将量子电池置于能量存储科学领域内，探讨了如何将各向异性[12]、量子速度极限和退相干[10]，[13]等概念与传统电池技术进行批判性比较。此外，在超导量子比特[14]，[15]，[16]、核自旋系统[17]，[18]和有机分子平台[19]，[20]中的开创性实验演示强调了这一领域日益增长的实验相关性。通过综合这些发展，我们的综述提供了将量子热力学与实际能量存储科学联系起来的补充视角，为传统电池技术提供了具体启示，并指导了未来混合架构的设计。

本综述旨在全面审视不同量子系统中开发的理论模型和物理方法，重点是从能量存储的角度探讨量子电池。该研究旨在解释量子电池的基本物理原理，并揭示它们为能量存储科学提供的新视角。本研究为缺乏量子力学背景的研究人员简要定义了能量存储领域的基本概念。目的是在保持技术准确性的同时提高跨学科的可访问性。

量子电池概念的基本物理框架

量子电池概念基于这样的理念：可以根据量子力学原理重新考虑能量存储和检索。图2展示了量子电池的基本物理组件的示意图。虽然传统电池中的能量存储由化学势差和离子传输等过程定义，但在量子电池中，能量被理解为存储在有限维哈密顿量中的内能

量子电池中的充电协议和量子加速机制

量子电池与传统能量存储系统之间最根本的区别之一是，充电过程可以使用量子力学原理重新定义。图3展示了能量充电的示意图。该示意图严格描述了控制量子电池运行的基本过程，包括充电、存储和能量提取。在充电阶段，系统从被动状态

量子电池的物理实现平台

在量子电池概念的理论框架之后，如何在不同的物理平台上实现它的问题在文献中变得越来越重要。尽管量子电池最初是作为理论模型系统开发的，但这些模型需要与实际的物理系统联系起来，才能在能量存储科学中产生有意义的结果。在这种情况下，通过评估不同的量子平台来考察它们作为量子电池的候选者

有机和分子量子电池：能量存储的新方法

虽然最初的量子电池概念理论研究主要是通过理想化的两级系统和固态平台进行的，但近年来，有机和分子量子系统已成为能量存储科学中的一个显著替代方案。有机和分子结构为量子电池模型提供了独特的优势，包括通过化学设计调节能级、丰富的电子和自旋态，以及潜在的接近室温的操作

能量损失、退相干和开放量子系统：量子电池的现实限制

量子电池理论上提供的快速充电和高功率潜力主要基于理想化的封闭系统假设。然而，在现实物理条件下，没有任何量子系统是完全隔离于其环境的。在能量存储和传输过程中，环境相互作用不可避免地发生，这些相互作用成为限制量子电池性能的基本因素。因此，开放量子系统、退相干和能量

从能量存储科学的角度进行总体评估和未来展望

近年来，量子电池作为一个跨学科研究领域迅速发展，允许在量子力学原理的框架内重新审视能量存储的概念。正如本综述所讨论的，这些系统不仅仅是传统电池的替代品，它们为理解能量存储和能量传输过程的基本物理限制提供了理论和概念框架。在这方面，量子

CRediT作者贡献声明

Nevin Ta?alt?n：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、研究、概念化。Dilber Esra Y?ld?z：撰写——审稿与编辑、研究、概念化。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

作者衷心感谢土耳其科学技术研究委员会（TUBITAK）对项目的财政支持。