【科技創新世界潮】
◎本報記者 張佳欣
隨著人們對環境保護和氣候變化關注的增加,越來越多的人開始選擇電動汽車作為出行的代步工具。然而,里程焦慮仍然是車主們的一塊“心病”。不過,量子技術領域的突破為解決電動汽車的續航問題帶來了更多的可能性。
據《日本經濟新聞》近日報道,日本東京工業大學科學家研發的鑽石量子感測器可將電動汽車的續航里程增加約10%。該技術可精確測量儲存的電量,從而最大限度地提高車載電池的性能,他們的目標是最早在2030年將這項技術投入實際應用。
電動汽車電池測量有誤差
通常情況下,電動汽車電池的電流可達數百安培,但由於難以準確測量充電量,電池的設置容量比實際可儲存電量要少10%左右。
曲阜師範大學物理工程學院教授劉曉兵在接受科技日報記者採訪時表示,電動汽車電池電量難以測量的原因有多方面。
例如,電池電壓和電流的微小變化都會明顯影響電量的檢測,尤其對於磷酸鐵鋰LiFePO4電池,其放電曲線平緩,電芯電壓測量精度難以精確控制,感測器的任何小幅度誤差都可能導致較大的電量測量誤差。
其次,電池包通常由幾十個電池芯組成,整體性能由最弱的電芯決定。精確評估電池電量需要對每一個電芯實時監控,這對空間佈置以及成本控制都提出了巨大挑戰。
此外,電動汽車在運作過程中,由於電池處於持續變化的充放電狀態,這就要求感測器能夠實時準確地監測這些變化。然而,快速的充放電迴圈和動態的負載變化可能超出感測器的快速響應能力。
“因此,如果有能以較高的精度測量充電量的感測器,將能充分發揮車載電池的性能。”劉曉兵説。
鑽石在量子傳感領域備受青睞
長期以來,鑽石憑藉其相干氮-空位(NV)中心、可調節自旋、磁場敏感性以及在室溫下工作的能力,一直在量子傳感領域備受青睞。劉曉兵介紹説,鑽石本身具有極高的化學穩定性和物理耐用性,是世界上硬度最高導熱性最好的材料,這也使得鑽石量子感測器非常適合於惡劣環境長期應用。
東京工業大學和汽車零件生産企業矢崎總業公司就將目光投向了鑽石量子感測器。他們在鑽石的部分結晶中設計特殊結構,使其具有在綠色鐳射照射下發出紅色熒光的性質。根據內部電子的量子狀態,熒光的強度會發生變化。受周圍電流、磁力、溫度的影響,電子的量子狀態也會發生變化,因此根據熒光強度就可計算出磁力。
據報道,該感測器可安裝在被稱為“母線”的金屬部件上。“母線”是蓄電池輸送電力的通道。傳統感測器以1安培為單位測量電流大小,而新開發的感測器以10毫安培為單位,精度提高100倍。因此,可讓充電量接近電池實際可儲存電量,而不用預留10%的空間,電池的續航里程從而得以延長。
劉曉兵進一步解釋了鑽石量子感測器的科學原理。他表示,NV中心是鑽石晶格中的一個碳原子被氮原子替代,並伴隨一個相鄰位置的空位形成的複合缺陷,具有可操控和讀出的電子自旋態。通過光學激發,可讀出其自旋態,進而得知外部環境資訊。NV中心對外部環境極為敏感,具有奈米級的空間解析度,在檢測環境微弱電場與磁場變化方面具有顯著優勢,這使得鑽石量子感測器在測量充電量方面具有巨大潛力。
各國爭搶量子鑽石高地
相較于已投入應用的超導量子干涉儀,鑽石量子感測器具有更高的檢測靈敏度與空間解析度,而且具備操作簡單、環境適應性強、應用範圍更廣等多種優勢。
目前,鑽石量子感測器也成了國際量子競爭前沿領域之一。美國、英國、歐盟等西方國家均將NV中心量子調控與量子感測器應用作為重點支援方向。
矢崎總業公司的目標是,最早于2030年實現鑽石量子感測器實用化,面向汽車製造商和零部件製造商供貨。雖然現在周邊設備較大,但通過使用小型半導體鐳射等,可將量子感測器大小縮小到10立方釐米大小,成本也與以往的電流感測器相當。
不過,東京工業大學教授波多野睦子錶示,最大的成本因素是鑽石。用於製造量子感測器的鑽石是人工合成的,這與從礦山開採、用於珠寶首飾的天然鑽石不同。使用廉價線路板,採用從沼氣中提煉鑽石的量産方法,可大幅降低製造成本。
劉曉兵稱,我國作為電動汽車生産與消費的大國,量子級鑽石仍嚴重依賴國外進口,這也成為新能源汽車領域發展所面臨的一個重要問題。目前,他帶領的團隊與其他高校、科研機構合作,成功製備出人造量子鑽石,我國山東超晶新材料公司已經實現了釐米級量子鑽石的規模化生産。
劉曉兵認為,雖然鑽石量子感測器目前面臨成本挑戰,但考慮到其獨特性能和潛在應用,以及後期技術進步帶來的成本降低,未來市場前景非常值得期待。
(責任編輯:戴賢軍)