量子技術助力電動車電池演進

作者 : Maurizio Di Paolo Emilio,EE Times歐洲特派記者

IonQ與韓國車廠Hyundai Motor將攜手開發一個能在量子電腦上執行的電池化學模型,用以模擬氧化鋰的結構與能量,目標是強化鋰電池的性能、成本與安全性。

美國業者IonQ與韓國車廠Hyundai Motor正在合作開發一種新的變分量子特徵求解器(variational quantum eigensolver,VQE),用以研究鋰化合物與電池內化學品的交互作用。

VQE是一種演算法,用以決定一組數值以解答既定最佳化問題;該演算法利用變分原理(variational principle)來計算一個漢米頓算子的基態能量(base state energy of a Hamiltonian),或者說是在一個動態物理系統條件下隨著時間的變化率。因為運算上的限制,傳統方法的準確度也受侷限。

兩家公司將攜手開發一個能在量子電腦上執行的電池化學模型,用以模擬氧化鋰的結構與能量,目標是強化鋰電池的性能、成本與安全性。透過量子電腦提供的化學模擬與運算加速,可望提升下一代鋰離子電池的品質,提供更高的容量與耐用性,這些優勢也能讓電動車(EV)對消費者來說更具吸引力。

IonQ執行長Peter Chapman表示,在電動車的開發過程中,電池仍是最艱難的工程挑戰,佔據整體電動車製造成本的將近一半,這讓電動車對大多數消費者來說仍太過昂貴;「更便宜的電池能讓電動車成本更接近內燃機汽車,並有助於加速、加深電動車的市場接受度。」

他在接受採訪時表示:「更好的電池也能讓電動車更具吸引力。很多消費者表示還沒準備好換電動車的常見理由,包括行駛里程的限制、充電速度慢,以及電池壽命有限,這些問題都可望因為電池材料的改善而解決。」

電動車採用電氣馬達以及高電壓、高容量電池組,還有各種電源管理與動力傳動(powertrain)技術。儘管要價不斐,電動車製造的污染低於傳統內燃機車輛;不過其真正的永續性需要電池技術的改善,以降低對電網的壓力、甚至本身能成為電網的一部份。

未來的電動車需要以能取代鈷等元素、更具效益之材料為基礎的先進電池,好在提升行駛里程的同時降低對環境的影響。

「量子電腦天生適合建立分子行為的模型,因為兩者都是受量子力學支配的系統;」Chapman表示:「以軟體模擬電池中的關鍵化合物,有助於預測化學反應結果,並有機會催生新形態的原材料,可節省電池開發的時間、成本與精力。」

量子技術

打造量子電腦的最大挑戰之一,就是降低錯誤率。有幾種方法可以建立量子位元,包括IonQ的離子阱技術,可提供低錯誤率以及量子位元之間的高連結性。IonQ的量子處理器是由3D空間內的原子所驅動,那些原子透過雷射光束來控制以確保穩定性。

量子位元計數越來越被視為評估量子處理器功率與能力的最相關性能基準,然而隨著量子位元數量持續成長,需要更準確可靠的度量標準。確實,更少的高品質量子位元通常處理量會比眾多低品質量子位元更高,特別是當它們展現較低的錯誤率。

IonQ的離子阱裝置。(圖片來源:IonQ)

IonQ的離子阱裝置。(來源:IonQ)

每一個在固態系統中的量子位元都是獨特的,雜訊非常高、必須在接近隔離的狀態下運作;這是一個缺點,因為根據定義,固態技術不是孤立的。因此,IonQ採用了一種雷射冷卻方法,只要雷射調整得當就能穩定原子。值得一提的是,IonQ的程序不需要冷藏或精密設備,只需要一道雷射光束。

「我們以幾種不同的方式利用雷射發揮我們的優勢;」Chapman表示:「除了我們的系統能在室溫下運作,雷射也讓我們能客製化系統,根據客戶的實際需要改變架構。我們的雷射控制軟體具延展性,可以開關;若是實體金屬線路就無法開關了。」

與IonQ的合作案是Hyundai宏大計畫「Strategy 2025」的核心;該計畫包括一年銷售56萬輛電動車,以及一年推出超過12款電池動力電動車。此外,因為電動車在實現全球永續目標方面扮演關鍵角色,兩家公司的結盟也代表著又朝著因應氣候變遷邁進了一步。

為了實現全面的永續性目標,除了交通工具必須電氣化,還得搭配其他的措施,像是延長電動車的使用壽命,以抵銷生產車輛的能源消耗需求。是大多數電動車動力的鋰離子電池,採用鈷以及其他稀土元素為原材料,這類礦物的開採會對環境造成衝擊。

IonQ聲稱,該公司可以利用量子技術解決眾多問題,包括電池效率以及提升能源電網的容量。IonQ的電腦過去曾用以展示像是化學肥料生產過程中發現的大型分子模擬。

IonQ的量子電腦。(圖片來源:IonQ)

IonQ的量子電腦。(來源:IonQ)

「隨著我們的硬體與演算法成熟,越來越複雜的分子以及反應也可以進行模擬;」Chapman表示:「我們從氧化鋰起步,未來可能把我們的視野擴展到固態電池、透過更好的太陽能電池生產之能源,或者更多。除了化學,我們也可能以量子解決自動駕駛、充電網路分配、物流,以及不限等等問題。」

 

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2022年3月號

責編:Judith Cheng

(參考原文:Quantum Computing Enlisted to Improve EV Batteries,By Maurizio Di Paolo Emilio)

 

 

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