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要说最近最受关注的科技新闻，恐怕就是早前一夜之间引起全网热议的 " 超导技术 " 了。在美国物理学会的会议上，一位名为 Ranga Dias 的物理学家发表了一份研究报告，声称自己的团队在实验室中发开发了一种新的材料，并实现了常温超导。9 m, Q, v1 E% w, `, D$ Q
据这个来自罗彻斯特大学的团队使用氢、氮和镥三种元素构成的超导体在大约 10kpa 压力下实现了约 21 摄氏度室温条件下的超导电性。; Y2 w7 ?! v* }# m" F, J$ e3 |' Q
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& Z+ k7 ?# M; j7 u这一报告不仅在会议现场引起了骚动，更在全球各领域引发热烈讨论；从技术到经济多个领域都将其视为人类科技的一次历史性突破。: ^* s" C1 G5 Y2 x0 a
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也许有的小伙伴会感到疑惑：这超导技术到底是个什么东西？这技术有突破，到底能带来什么好处？) a g# G6 V7 |' j% i
接下来，教授就以自己对超导技术浅薄的认知，跟大家聊聊这种前沿科技。
6 ^; ?" a% R2 U3 C) W首先，咱们先来了解一下超导。( f7 b' g! f7 M5 T
当年咱们上学学物理的时候肯定都会学习到 " 电阻 " 这个概念，也就是说当电流在电线等材料内流动的时候，都会受到一定的阻力。7 B% c1 y a6 W, t# j
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K; b" }& q6 P& T) K. ~7 e) E" x电阻的存在会让电流在通过导电物质的时候损失一部分能量并转化为热量，从而导致电量在传输的过程中发生损耗。这就像咱们吃海鲜的时候鱼鳞和内脏总是需要去掉的，最终吃到嘴里的分量跟买回来的分量是不一样的。5 o4 N4 U8 D* h+ n
因此电的输送距离越长，过程中的电量损耗就越多。
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所以长距离的电力输送都需要配合超高电压以及大量的变电站以缩短单程输电距离来相对减少电能衰减带来的麻烦。
+ j% a" H$ B5 z1 o但是在超导状态下，电流在物质中的流动就不会受到阻力干扰，也就是说这时候电阻是 0 了，传输的过程也就不存在电量损耗的问题，吃到嘴里的跟买回来的一样多！* M# {7 J. {/ h" _+ q# ?0 w
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超导对于电能的生产、输送和应用都有着改变世界的价值，世界各国的科学团体都在努力研究这项技术。* y/ _3 n- e* s7 E4 c
不过，要想实现超导，以目前人类掌握的技术水平还非常困难。
& k2 j9 F4 Z, e) Q* ~# j9 j+ W' _其实在材料方面，人类早早就发现了很多具有超导潜力的材料，比如早在 1911 年就发现能够进入超导状态的汞，以及近几年经常会被提及的石墨烯，还有锡、铅等等。
1 H E4 y5 L# h. [7 O然而，虽然人类已经发现了很多能够实现超导效果的材料，但它们在普通环境下可没有超导特性；要想让它们进入超导状态，往往需要先给它营造一个合适的环境。
. I) b5 H( |& S+ i3 b* u目前主要的方式就是降低温度，比如零下 196 度以下的超低温环境。
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就是这种夸张的低温条件要求，导致超导技术基本上被局限在实验室里。如今科学家们对超导体应用的研究最多能够实现 " 高温超导 "，而这个高温是什么概念呢？只要温度不低于零下 196 摄氏度，那就算高温了。- J3 S- J- y6 J% j; g% X) V1 X8 Y
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. X" [& J5 p& M2 }大家想想，一般情况下怎么可能实现这么夸张的低温环境嘛，就算有，那也得用上价格高昂的大型专业设备和制冷材料才可实现。$ j8 E* U4 e: I$ A/ R' `$ b3 n
比如已经在某些核磁共振仪器中投入使用的超导技术，一个小小的超导线圈，每次使用前都得耗费大量的液氮等超低温材料使其中的超导体 " 进入状态 "，大规模量产和普及使用的可能性极低。( y4 Z, N# a# ~3 c6 [& F
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但这一次罗彻斯特大学的团队说他们在 21 摄氏度的条件下就能实现超导了！这当然是一个引起全球关注的惊人发现。" f2 i3 F# L% V9 I
试想想，昨天还得在零下近 200 摄氏度的超低温环境中操作的试验，今天吹着空调就能做了，这变化简直就像山顶洞人突然用上了打火机！
8 {; a7 n- |7 ~/ |) R, V: B% p这意味着超导技术很可能真的会迎来巨大的变革，超导技术的大规模应用也成为可能。9 g! [% {* t p2 E
而如今，汽车已经走上了电驱化的道路，假如常温超导技术真的能够实现，而且能够被大规模量产，它将会对汽车带来怎样的影响呢？
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: {) y- }6 T5 C- _6 c( t+ W& _首先最显而易见的，当然就是充电速度的进步。$ m$ p2 p' r+ ^& p
目前，为了提升纯电动车型的充电速度和整个电驱系统的工作效能，车企采用的方案大多主要是依靠提高电压；比如保时捷的 800V 高压系统就是其中的代表。2 s+ ^3 c* x3 _% U
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3 j, j8 P1 r6 W- h1 w% ~! J5 x超高电压能够让充电速度加快、动力输出更强、动力更稳定。
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但是在超导技术的加持下，由于没有了电阻，那么充电的电压首先就可以降低下来；而且由于充电过程中电量不会发生损耗，相同时间里能够充到电池里的电量也更多。 d. i! h* N: i* |
而且，充电线也不用像现在那样做得如此粗壮，实现充电设备轻量化，用起来更省力方便。* t# v9 n ^- w+ i! h
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$ }7 ^2 v' U1 N4 V, w4 N9 x: d, A因此，充电跟加油一样快的梦想也许就能在超导技术的帮助下轻松实现，让纯电汽车用起来更加方便。( P% z: v9 K* U R+ }4 ]# {! D6 U
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此外，由于超导状态下导电物质内部电压为 0，电量在流动过程中不会出现损耗，因此电池里存储的电量就能够完全被用于驱动车辆，让纯电汽车的续航里程大幅提升。6 Y9 ]2 [0 B$ T# L8 w* U. @
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但更重要的是，超导状态下的 0 电阻意味着电能不会在传输过程中产生热量！这意味着超导条件下的电池和电驱系统不需要担心充电与使用过程中发出热量的问题。
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- ^2 X% I. I2 h8 t$ |这不仅能让纯电汽车的冷却系统得到大幅度简化，从而让纯电车减重；同时，电池都不发热了，热失控的着火的风险自然也降低了不少。再者，由于超导环境下能够用更低的电压实现同等的工作效果，电压的降低也能对安全性提升带来帮助。
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x: b' M- ^. L# c此外，超导状态还会让材料的抗磁性大幅增加，超导线圈产生的磁场将远大于当前普通线圈产生的磁场。这就意味着使用超导线圈的电机可以在超小的尺寸中实现巨大的功率输出，同时由于电阻已经 " 归 0"，能量损耗也没有了，能耗更低。
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( ]' L' l) }% F) j) p3 D同时，超导线圈的磁场强度提升也将导致发电功率的大幅提升；如今我们常说动能回收系统只能帮你在驾驶过程中回收很少的电能，可谓杯水车薪；但是在超导技术的帮助下，动能回收系统的发电效率将会呈现数量级上升的态势，让动能回收系统真的能够帮助用户把花出去的电都给 " 转回来 "。1 G$ b7 K1 e1 N, d; s6 H! A
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也许在那个时候，充一次电就能跑一个月了。6 g2 V& P6 @( `) G% j
也许上述这几种使用场景还属于幻想程度比较高的类型，但有的 " 超导 " 技术已经被车企或者供应商列入了发展目标。
. T2 o' _+ @: R' P( s, u& D比如广汽集团，虽说超导技术尚且未能被应用到汽车身上，但是他们将如今常见的超导材料石墨烯用到了正在研发的新款电池中。) r# v* S! j \% D
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* T0 q0 L# O* H+ G \: q+ q据悉这款自 2014 年就开始研发的石墨烯电池能够带来超快的充电速度，在测试时只需 8 分钟就能将电量充到 85%。无论这个过程是从 10% 的电量开始还是从 0% 的电量开始，它都已经完全超越了目前在售纯电车型普遍都要 30 分钟的充电速度。
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由此可见，虽然这款电池还不算真正意义上的 " 超导电池 "，但在石墨烯这种具有超导潜力的材料加持下，电池性能也依然可以得到提升。: [# i- ?. `. V% Z( f$ H
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此外，作为目前世界上最大电池巨头之一的宁德时代，在去年也曾宣布正在研发超级快充技术，目标是最快 5 分钟就能将电池电量充到 80%。1 P( j X7 Y$ ~0 y
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8 y; n( e4 C! E/ g而这项超快充技术涉及的内容就包括超电子网、快离子网、多级耳、高孔隙隔膜以及超导电解液等技术。
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不过这里的超导电解液并不是真正意义上的 " 超导 " 液体，而是一种拥有超强运输能力的电解液，可以通过大幅提升锂离子在液相和界面的传输速度，提升电池的充电速度。- F7 z+ h1 o- M- D$ ^% G9 G( Q
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可以看出，其实目前 " 超导 " 在现实汽车产业层面的应用仅限于其中的部分材料或理念。 k- V' i% r7 q8 ~4 F7 h9 V) e
随着常温超导实验报告的发布，超导技术在汽车身上实现应用就有希望了 ······ 吗？
5 C* ?# b+ ~0 k, y让我们再回到这个研究团队发布的 " 常温超导 " 研究结果，虽说教授看不懂其中的大量图表和数据到底代表什么意思，但可以明确的是他们成功让实验材料的电阻降到了 0，符合超导体的特征。
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# x+ |1 `& g. \8 w; J, m% x然而，实现这一超导状态的试验条件可不只是常态室温 21 摄氏度，还有一个非常重要的数据：高压。该团队的数据显示实现这一次超导试验所需的压力条件是 1GPa，换算成比较容易理解的术语就是大约一万个标准大气压的高压环境。
4 Q7 M: p& P# I$ q o! c* C那么 1 万个标准大气压又是怎样的概念？
$ j) |. V8 ]' E, k: r- A6 a前段时间教授试驾的丰田氢燃料电池车 Mirai，它采用的高压储氢罐最大压力为 70MPa，大约相当于 700 个标准大气压，是普通液化石油气罐的数十倍。
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就那玩意儿，已经有许多网友表示那是 " 移动炸弹 "，对其安全性发出了多种质疑。且不论 1 万个标准大气压到底能不能在一辆汽车身上实现，就算可以，那安全性问题岂不是比高压储氢罐大得多？! R# U o$ W8 Q6 h& A# q5 b
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3 b) T8 ^& p9 H' {" o9 @+ m而且，这个科研团队其实并非首次发布此类实验报告；比如之前这个科学团队就曾经宣称自己成功合成了金属氢，但是当别的科学团队表示想看这块神奇的金属氢的时候，他们说因为保存不当，金属氢没了 ~~~+ C' b. [; ]4 f$ U' W
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又或者是他们此前曾声称在 270GPa 高压条件下让一种氢化物进入了常温超导状态，但别的科学研究团队照着他们发表的报告去做，结果都不能做出相同的效果。
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4 H, B& H9 q" Q) n8 {6 _因此，在这一次 1GPa 的常温超导实验被其他科研团队复现之前，教授都会对 Ranga Dias 和他的团队发布的这个惊天科研成果保持一种怀疑态度。5 B( x! j: ]; m- B$ Y: n5 r- i
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再说了，1GPa 的超高压力，也不是咱一两年内甚至 10 年内就能量产出来的技术水平，短期内应该还是不会对我们的日常生活方式带来什么改变。
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不过，技术水平虽然拖慢了前进的速度，但梦想总归是要有的，正如息影多年的关继威无论如何也不会想到自己刚一复出就拿到了小金人一样，谁又能保证咱们有生之年不会开上 5 分钟就充满电，充一次电跑一个月的超导汽车呢？+ ?/ p7 \2 {1 {- N8 H! R" A
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发表于 2023-3-20 05:44:02
