隨著人們對環(huán)境保護和氣候變化關(guān)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(shù)領(lǐng)域的突破為解決電動汽車的續(xù)航問題帶來了更多的可能性。
據(jù)《日本經(jīng)濟新聞》近日報道，日本東京工業(yè)大學(xué)科學(xué)家研發(fā)的鉆石量子傳感器可將電動汽車的續(xù)航里程增加約10%。該技術(shù)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(biāo)是最早在2030年將這項技術(shù)投入實際應(yīng)用。
氮-空位(NV)中心是金剛石中形成的由氮(N)和空位(V)組成的點缺陷。圖片來源：日本東京工業(yè)大學(xué)官網(wǎng)
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(dá)數(shù)百安培，但由于難以準(zhǔn)確測量充電量，電池的設(shè)置容量比實際可儲存電量要少10%左右。
曲阜師范大學(xué)物理工程學(xué)院教授劉曉兵在接受科技日報記者采訪時表示，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，尤其對于磷酸鐵鋰LiFePO4電池，其放電曲線平緩，電芯電壓測量精度難以精確控制，傳感器的任何小幅度誤差都可能導(dǎo)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(jiān)控，這對空間布置以及成本控制都提出了巨大挑戰(zhàn)。
此外，電動汽車在運行過程中，由于電池處于持續(xù)變化的充放電狀態(tài)，這就要求傳感器能夠?qū)崟r準(zhǔn)確地監(jiān)測這些變化。然而，快速的充放電循環(huán)和動態(tài)的負(fù)載變化可能超出傳感器的快速響應(yīng)能力。
“因此，如果有能以較高的精度測量充電量的傳感器，將能充分發(fā)揮車載電池的性能。”劉曉兵說。
鉆石在量子傳感領(lǐng)域備受青睞
長期以來，鉆石憑借其相干氮-空位(NV)中心、可調(diào)節(jié)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(lǐng)域備受青睞。劉曉兵介紹說，鉆石本身具有極高的化學(xué)穩(wěn)定性和物理耐用性，是世界上硬度最高導(dǎo)熱性最好的材料，這也使得鉆石量子傳感器非常適合于惡劣環(huán)境長期應(yīng)用。
東京工業(yè)大學(xué)和汽車零件生產(chǎn)企業(yè)矢崎總業(yè)公司就將目光投向了鉆石量子傳感器。他們在鉆石的部分結(jié)晶中設(shè)計特殊結(jié)構(gòu)，使其具有在綠色激光照射下發(fā)出紅色熒光的性質(zhì)。根據(jù)內(nèi)部電子的量子狀態(tài)，熒光的強度會發(fā)生變化。受周圍電流、磁力、溫度的影響，電子的量子狀態(tài)也會發(fā)生變化，因此根據(jù)熒光強度就可計算出磁力。
據(jù)報道，該傳感器可安裝在被稱為“母線”的金屬部件上。“母線”是蓄電池輸送電力的通道。傳統(tǒng)傳感器以1安培為單位測量電流大小，而新開發(fā)的傳感器以10毫安為單位，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(yù)留10%的空間，電池的續(xù)航里程從而得以延長。
劉曉兵進一步解釋了鉆石量子傳感器的科學(xué)原理。他表示，NV中心是鉆石晶格中的一個碳原子被氮原子替代，并伴隨一個相鄰位置的空位形成的復(fù)合缺陷，具有可操控和讀出的電子自旋態(tài)。通過光學(xué)激發(fā)，可讀出其自旋態(tài)，進而得知外部環(huán)境信息。NV中心對外部環(huán)境極為敏感，具有納米級的空間分辨率，在檢測環(huán)境微弱電場與磁場變化方面具有顯著優(yōu)勢，這使得鉆石量子傳感器在測量充電量方面具有巨大潛力。
各國爭搶量子鉆石高地
相較于已投入應(yīng)用的超導(dǎo)量子干涉儀，鉆石量子傳感器具有更高的檢測靈敏度與空間分辨率，而且具備操作簡單、環(huán)境適應(yīng)性強、應(yīng)用范圍更廣等多種優(yōu)勢。
目前，鉆石量子傳感器也成了國際量子競爭前沿領(lǐng)域之一。美國、英國、歐盟等西方國家均將NV中心量子調(diào)控與量子傳感器應(yīng)用作為重點支持方向。
矢崎總業(yè)公司的目標(biāo)是，最早于2030年實現(xiàn)鉆石量子傳感器實用化，面向汽車制造商和零部件制造商供貨。雖然現(xiàn)在周邊設(shè)備較大，但通過使用小型半導(dǎo)體激光等，可將量子傳感器大小縮小到10立方厘米大小，成本也與以往的電流傳感器相當(dāng)。
不過，東京工業(yè)大學(xué)教授波多野睦子表示，最大的成本因素是鉆石。用于制造量子傳感器的鉆石是人工合成的，這與從礦山開采、用于珠寶首飾的天然鉆石不同。使用廉價線路板，采用從沼氣中提煉鉆石的量產(chǎn)方法，可大幅降低制造成本。
劉曉兵稱，我國作為電動汽車生產(chǎn)與消費的大國，量子級鉆石仍嚴(yán)重依賴國外進口，這也成為新能源汽車領(lǐng)域發(fā)展所面臨的一個重要問題。目前，他帶領(lǐng)的團隊與其他高校、科研機構(gòu)合作，成功制備出人造量子鉆石，我國山東超晶新材料公司已經(jīng)實現(xiàn)了厘米級量子鉆石的規(guī)模化生產(chǎn)。
劉曉兵認(rèn)為，雖然鉆石量子傳感器目前面臨成本挑戰(zhàn)，但考慮到其獨特性能和潛在應(yīng)用，以及后期技術(shù)進步帶來的成本降低，未來市場前景非常值得期待。
