量子方面的研究令电池电源发生革新性进步
Mitsubishi Chemical 突破原有瓶颈,加速电池研发
高空中侧面俯瞰从林道路

锂原子是元素周期表中最轻的原子之一。它的特性使其具备了与其他元素结合产生能量的条件。这种轻质与高能的完美结合,是其在 21 世纪大多数电池化学中扮演主角的关键所在。

今天的电动汽车由锂离子电池驱动,几十年来,锂离子电池一直在不断改进。任何电动汽车中的锂离子电池仍然是汽车中最重的部分。所有额外的重量都会限制车辆性能。相较之下,从理论上来说,锂氧电池有了突飞猛进式发展,未来前景广阔。这类电池所能产生的能量与它的重量相比,简直就是飞跃。从理论上讲,锂氧可以用来制造更轻的电池,一次充电就能走得更远。

增加能量密度

 

如今,锂离子电池的能量密度是早期铅酸电池的 3 倍

能量密度倍增

 

重量更轻的锂氧电池的能量密度可能是当今锂离子电池的 5-15 倍

几十年来,最为棘手的难题仍在等待人们破解,这或许是因为我们一直在利用相似的工具开展研究,难以达成突破。量子计算,所展现出的前景,引入了某种新的可能。这将改变乃至颠覆行业。这是一种全新的工具。 Jamie Garcia Senior Manager of Quantum Algorithms Applications and Theory at IBM
寻求对量子的深度理解

于化学工业而言,把这一理论转化为满足市场需求的产品,将在未来几十年内创造一个蓬勃的利润源泉,其应用机会则可以覆盖移动设备、传统汽车,乃至超乎想象的新型交通工具等方方面面。这就是 IBM 量子算法、应用和理论高级经理 Jamie Garcia 和她的量子化学专业团队花费大量时间与日本 Mitsubishi Chemical 的研究伙伴进行视频会议的原因之一。

Mitsubishi Chemical 的 Qi Gao 和庆应义塾大学的 Naoki Yamamoto 教授联系了 IBM Quantum 团队,对锂超氧化物重排(这是锂氧电池的关键化学步骤)的复杂机制进行建模和研究。他们的合作为在量子计算机上进行模拟并最终研究实际应用相关问题奠定了基础。

即使在当今最强大的超级计算机上,这也是一项不可能有效完成的任务。对于 Mitsubishi Chemical 的研发团队来说,在传统计算机上模拟如此复杂的电化学反应已被证明是极其困难的。通过与 IBM 和庆应义塾大学的 IBM Q Hub 团队合作,Mitsubishi Chemical 正在探索如何使用量子计算机在分子水平上对化学反应内部发生的情况进行精确模拟。

加速研发步伐

大多数进行过传统实验室工作的化学专业人员都知道,要想了解烧瓶内的化学反应是如何发生的,并能对其进行控制,需要花费数小时、数月甚至数年的时间。量子计算有望加速这一切。

Mitsubishi Chemical 看到了这一可能的价值所在。作为合成创新材料的世界领先企业,Mitsubishi Chemical 服务于汽车、航空航天、医疗、能源生产、交通基础设施、建筑等数十个行业,所有这些行业都需要更好的工具来解决紧迫的挑战。

为满足众多行业的不同需求,就意味着 Mitsubishi Chemical 要进行大量的研发工作。与 IBM Quantum Network 的其他许多成员一样,该公司也有专门用于分子模拟的预算,并正在量子计算上投资,寄望能有所成效。在企业层面,这可以促成跨洲合作。在本案例中,Mitsubishi Chemical、东京庆应义塾大学和 IBM 的跨学科研究团队之间开展了合作。

IBM 量子算法、应用和理论高级经理 Jamie Garcia 表示:“几十年来,最为棘手的难题仍在等待人们破解,这是因为我们在工具层面没有突破性进展,在这种情形之下,我们可以做的,已经到了一个瓶颈。量子计算,所展现出的前景,引入了某种新的可能。这可能才是改变乃至颠覆行业的关键所在。这是一款全新工具。”

利用量子计算机探索这些化学反应的特定部分,可能会有意想不到的顿悟时刻。总有新的未知有待发现,总有下一个问题需要回答。 Jamie Garcia Senior Manager of Quantum Algorithms Applications and Theory at IBM
重新思考算法,达到顿悟时刻

Mitsubishi Chemical、庆应义塾大学和 IBM Quantum 三家研究机构正在努力通过利用量子计算的新算法,来更好地挖掘锂氧作为能源的潜力。

在量子全新的硬件环境和软件中运行新型算法,对锂氧电池放电过程中的复杂化学反应,已经得出了定量正确的计算结果。此外,经由新的途径观察分子基本原理,研究人员还试图发掘出新的见地,以及观察到一些突破已有认知的现象。

IBM 的 Jamie Garcia 表示:“利用量子计算机详细深入地探索这些化学反应的特定部分,可能会有意想不到的顿悟时刻。因此,将这些量子系统用于化学研究,是非常有意义的。总有新的未知有待发现,总有下一个问题需要回答。”

关于 Mitsubishi Chemical、IBM Quantum Network

Mitsubishi Chemical(链接位于 ibm.com 外部)的使命是基于可持续发展、健康和舒适的核心价值观,在全球范围内创建创新解决方案,为人类、社会和地球的福祉而奋斗。

关于 IBM Quantum Network

IBM Quantum Network 是一个由财富 500 强企业、学术机构、初创企业和国家研究实验室组成的社区,与 IBM 合作推进量子计算。

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2020 年 3 月在美国制作。

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