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)大學科學家研發(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數(shù)百安培，但由于難以準確測量充電量，電池的設(shè)置容量比實際可儲存電量要少10%左右。

曲阜師范大學物理工程學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穩(wěn)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合缺陷，具有可操控和讀出的電子自旋態(tài)。通過光學激發(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。

不過，東京工業(yè)大學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。