鈣鈦礦（Perovskite）和量子電池（Quantum Battery）分別代表在能源領域中「能量轉換」與「能量儲存」的兩個聖杯。我2023年4月曾在策略風撰文介紹鈣鈦礦第三代太陽能電池，最近也陸續在鋰電池的相關論壇和研討會中，談到量子電池的議題。
雖然，鈣鈦礦和量子電池目前都還在各自領域發展，但有些科學家正嘗試將兩者結合，以開發出充電速度極快且效率極高的次世代電池與能源系統。以下我透過指令Gemini 3 、Deep Research先整理再對準我的看法後，提出這兩項技術的基本概念、競爭優勢以及將面臨的挑戰與未來發展潛力。
鈣鈦礦是能源轉換的明星
當我們提到鈣鈦礦時，最初指的是一種天然礦物（CaTiO₃），後來則泛指具有特定 ABX3 化學式晶體結構的材料。它的競爭優勢就是光電轉換效率非常高，在短短十幾年內，已從 <4% 飆升到 >26% 甚至更高，並超越目前市面上矽晶的太陽能電池。而且它的成本低和具有可撓性，還可以透過用溶液的製程印刷在塑膠或玻璃上，生產的過程比傳統矽晶更便宜而且耗能更低。
除太陽能電池、LED、雷射和光感測器等領域的應用外，科學家發現某些鈣鈦礦材料具有非常優異的離子導電性，這使它們極有潛力可以是鋰離子電池的電極材料，或是成為號稱電池聖杯的固態電池中的固態電解質材料。
量子電池儲能的物理極限
量子電池是能量儲存領域中的一項前瞻技術，利用量子力學的基本原理，包括量子疊加態、量子糾纏和相干性，來突破傳統運用電化學儲能方式的極限。目前科學家們仍集中在微觀系統的研究，需要在實驗室做進一步的概念驗證，還尚未商業化。
傳統的電池是藉由化學反應和離子轉移來儲存能量，而量子電池則將能量儲存於其量子系統，像是光子和量子位元的量子激發態供稍後來使用。這種儲存能量模式，相較傳統電化學裝置是完全不同的機制。
超廣延充電 (Superextensive Charging) 可說是量子電池最大的優勢，因為傳統電池充電算是線性的，也就是電池越大則充飽時間會越久；但量子電池利用量子單元之間的糾纏，電池容量越大充電速度反而越快，理論上可實現「近乎瞬間」的充電。
鈣鈦礦與量子電池的交集
鈣鈦礦與量子電池這兩者的結合，通常會出現在下列三個前瞻性的研究方向：
A. 鈣鈦礦量子點 (Perovskite Quantum Dots, PQDs) 是目前最直接的「物理結合」，鈣鈦礦材料可以被製成奈米級的「量子點」，而這些量子點具有極高的表面積和量子禁制效應（Quantum Confinement）。它也可被用於電池負極材料的研究，因為能顯著縮短離子傳輸路徑，並提升電池在大電流充放電倍率的能力，算是在開發向「量子級」充電速度邁進的一種新材料路徑。
B. 光充電一體化電池 (Photo-rechargeable Batteries) 的整合系統概念，這樣的機制是利用鈣鈦礦太陽能電池的高效率光吸收能力，直接應用在量子效應的超級電容器或先進的儲能電池並結合成單一裝置。這樣的裝置不需要外接電源，只需暴露在光線下即可利用量子級的轉換效率進行自我充電。
C. 提升材料結構穩定性與離子傳輸，因為量子電池或固態電池需要極佳的離子傳輸通道，而鈣鈦礦獨特的晶格結構允許離子在其中快速移動，因此研究人員正在利用鈣鈦礦結構作為量子電池概念中的「宿主材料」，以實現理論上的快速充電模型。
雖然鈣鈦礦與量子電池的發展潛力巨大，但目前面臨的挑戰和展望未來就有兩個主要障礙：其一是鈣鈦礦的穩定性，因為鈣鈦礦材料容易受濕氣、熱和光照影響而降解。如何讓它在電池內部惡劣的化學環境中長期生存是關鍵；其二是量子電池的退相干 (Decoherence)，因為量子態非常脆弱，很難在室溫下維持「量子糾纏」狀態，而一旦失去量子態，它就變回普通電池了。
化學能儲存 向量子物理儲存跨越
總結來說，鈣鈦礦與量子電池的結合，代表從「化學能儲存」向「量子物理儲存」跨越的過程。短期而言，目前的趨勢是利用鈣鈦礦量子點來改良現有的鋰電池或固態電池；而長期的目標，則是製造出真正的鈣鈦礦基量子電池，實現「光照即充飽」或「秒級充電」的科幻場景。
雖然「量子電池」的原理對多數人來說都很難理解，但其實這跟我30多年前在美國Leviton 公司，所主持的突波材料開發專案計畫還是有點相關。因此在我看來，若是將當初申請的專利內容視為電池的「九陰真經」架構，再把電化學交流阻抗頻譜（EIS ）當做電池的「九陰白骨爪」招式，也算是可以的。
