使用量子傳感器提高電池性能

量子技術(shù)能?提高電池的性能嗎？答案是肯定的。由蘇塞克斯大學(xué)的研究人員領(lǐng)導(dǎo)的一個項目正在使用量子傳感器來測量電池行為，期望得到的數(shù)據(jù)可用于改進電池技術(shù)。

該項目已獲得伯明翰大學(xué)的合作資源資助、英國量子技術(shù)中心傳感器和計時。該項目團隊還包括斯特拉斯克萊德大學(xué)和愛丁堡大學(xué)作為該財團的一部分。

該項目解決了提高電池能量密度、耐用性和安全性的關(guān)鍵需求，從而推動工業(yè)革命朝著日益綠色的生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展。為了實現(xiàn)這些和其他綠色目標(biāo)，在實施環(huán)境政策的同時，需要在這些領(lǐng)域進行深入的研究和開發(fā)。

在接受 EE Times 采訪時，蘇塞克斯大學(xué)實驗物理學(xué)研究教授 Peter Kruger 強調(diào)了電池似乎是量子電池傳感器的第一個大市場，因為電動汽車需要具有高存儲容量的大型電池組?！斑@將意味著量子傳感器的第一次重大商業(yè)影響，”克魯格說。

電池和量子技術(shù)新的電動汽車控制系統(tǒng)，包括再生制動系統(tǒng)、啟動和停止功能以及驅(qū)動車輪的電動機，都需要對電氣輸入進行精確測量和控制，以優(yōu)化性能并避免災(zāi)難性故障。

這些系統(tǒng)的一個重要部分是?電池?電流測量傳感器，它測量電池充電和放電水平及其健康狀態(tài)。有幾種現(xiàn)有技術(shù)可以創(chuàng)建用于車輛電池監(jiān)控的良好電流傳感器。

同時，使用量子計算模擬電池的化學(xué)結(jié)構(gòu)使得應(yīng)用這些算法可以根據(jù)各種標(biāo)準(zhǔn)（例如減重、最大密度和電池組裝）再現(xiàn)電池內(nèi)部的化學(xué)成分。這加速了電池組本身的產(chǎn)業(yè)化。

蘇塞克斯大學(xué)項目該項目的目標(biāo)是實施量子磁力計技術(shù)，以檢查微觀電池電流是否準(zhǔn)確流動。通過這種方式，對新電池和現(xiàn)有電池的化學(xué)成分的快速評估將加速創(chuàng)造卓越的電池技術(shù)，從而促進電氣化。

磁力計是一種帶有單個傳感器的儀器，用于測量磁通量密度。量子磁力計基于亞原子粒子的自旋。每個粒子磁矩與施加場的耦合被量化或限制為由量子力學(xué)定律確定的一組離散值。

克魯格指出，近年來有很多鋰電池故障案例登上了頭條，比如三星的 Galaxy Note 7 智能手機案例。監(jiān)控電流可以允許在這些電池故障發(fā)生之前采取預(yù)防措施。量子傳感器可以通過監(jiān)測電池的健康狀況和減少最磨損的電池負(fù)載來為電池提供某種智能。

“目前的電池監(jiān)控解決方案主要集中在測量電池兩端的電壓。這很好地指示了電池內(nèi)剩余的電量，通過在隨后的許多充電/放電循環(huán)中測量這些電壓，可以在電池退化時監(jiān)測充電容量，”克魯格說。

他補充說：“雖然這些測量對于監(jiān)測電池的健康狀態(tài)很有用，但它們并不能告訴我們太多關(guān)于電池內(nèi)部發(fā)生了什么的信息。開發(fā)中的量子系統(tǒng)可以測量電池產(chǎn)生的磁場，用于推斷流經(jīng)電池的電流。該系統(tǒng)充當(dāng)“磁性相機”，能夠窺視電池內(nèi)部?！?/p>

該研究小組的目標(biāo)是開發(fā)不需要基礎(chǔ)設(shè)施和最低運行成本的小型、低功耗、便攜式設(shè)備，因此適用于經(jīng)濟生產(chǎn)。

學(xué)者們還將與 CDO2、Magnetic Shields Ltd 和 QinetiQ 密切合作以實現(xiàn)他們的目標(biāo)。Magnetic Shields Ltd 將提供所需的無磁噪聲環(huán)境，使傳感器技術(shù)能夠以前所未有的靈敏度進行測試。

“大型應(yīng)用在研究領(lǐng)域，電池制造商可以對不同的化學(xué)物質(zhì)和電池幾何形狀進行基準(zhǔn)測試。傳感器可以將診斷信息發(fā)送到 EV 的車載計算機，并且可以減少服務(wù)間隔，因為不再需要手動檢查。電池農(nóng)場正在開發(fā)為一種可再生能源存儲形式，該技術(shù)可用于智能充電系統(tǒng)，以及監(jiān)測電池的健康狀態(tài)，”克魯格說。

目前最大的挑戰(zhàn)集中在提高電池的容量上。“從技術(shù)上講，傳感器不僅對來自電池的磁場敏感，而且對所有鐵磁物質(zhì)都敏感。我們開展的大部分工作是設(shè)計傳感器，并研究如何保護它們免受外部磁場的影響。我們必須考慮系統(tǒng)如何能夠過濾掉汽車電動機產(chǎn)生的磁場，或者當(dāng)汽車每次從另一個方向通過時，大約有一噸金屬通過傳感器時磁場的快速變化。需要建立所有相關(guān)組件的完整供應(yīng)鏈。我們正在通過同時提供產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略資金來實現(xiàn)這一目標(biāo)，”克魯格說。

電池是脫碳的關(guān)鍵，但化學(xué)和邊界技術(shù)都需要改進。鋰離子電池仍然是該領(lǐng)域的黃金標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，并且已經(jīng)走過了漫長的道路。檢查每個電池是一項必須考慮許多因素的操作，例如泄漏和缺陷，這些因素會對整個系統(tǒng)的性能產(chǎn)生不利影響，無論是電動汽車還是簡單的消費設(shè)備。

審核編輯 黃昊宇