Deze ‘kwantumbatterij’ laadt supernel op en wordt beter naarmate hij groter wordt

Wetenschappers in Australië hebben voor het eerst een zogenoemde ‘kwantumbatterij’ gebouwd die een volledige laad- en ontlaadcyclus heeft doorlopen. Het apparaat zet licht om in elektriciteit en doet dat efficiënter naarmate er meer moleculen in zitten. Dat druist in tegen alles wat we kennen van gewone batterijen.

Bij een gewone batterij blijft de energiedichtheid gelijk, hoeveel materiaal je er ook in stopt. Meer capaciteit betekent dus gewoon langer wachten bij het laden. Bij een kwantumbatterij werkt het fundamenteel anders. Door een kwantummechanisch effect genaamd superabsorptie werken de moleculen in de batterij samen om licht te absorberen. Hoe meer moleculen eraan meedoen, hoe sneller het gaat. 

De kwantumbatterij die in deze studie in vakblad Light: Science & Applications wordt beschreven, is opgebouwd uit heel dunne lagen materiaal die ingeklemd zitten tussen twee zilverlaagjes die samen een soort spiegelholte vormen. In die holte zitten moleculen van koperftalocyanine (CuPc), een organische kleurstof die licht absorbeert. Door de moleculen op te sluiten in zo'n piepklein holletje ontstaat er een sterke wisselwerking tussen het licht en de moleculen. Ze gaan zich als het ware collectief gedragen.

Wanneer licht op de batterij valt, absorberen de moleculen de energie supersnel. De energie wordt vervolgens opgeslagen in een relatief stabiele toestand van de moleculen. Die toestand houdt de energie miljoenen keren langer vast dan de tijd die nodig was om op te laden. Dat klinkt echter indrukwekkender dan het is: de laadtijd is 35 femtoseconden, de opslagtijd is in de orde van nanoseconden.

Werkt in beide richtingen

De onderzoekers laten in de studie niet alleen zien dat de batterij supersnel oplaadt, maar ook dat de opgeslagen energie als elektrische stroom kan worden afgetapt. Dat lukte door speciale lagen toe te voegen die elektronen in één richting duwen en blokkeren in de andere richting. Hetzelfde principe wordt in zonnecellen gebruikt.

Dit is weliswaar een laboratoriumexperiment, geen product dat binnenkort in de winkel ligt. De huidige vermogensdichtheid is op z'n minst bescheiden te noemen vergeleken met bestaande supercondensatoren en het apparaat is amper een vierkante centimeter groot. Maar een proof of concept is het wel. 

De onderzoekers denken dat hun ontwerp vooral nuttig kan zijn voor specifieke toepassingen zoals sensoren in gebouwen, wearables of apparaten die altijd een beetje laden. Het kwantumvoordeel is namelijk het grootst bij lage lichtintensiteiten, precies de omstandigheid waar gewone zonnecellen moeite mee hebben.