基于量子傳感器來測量電池及改進(jìn)電池技術(shù)

量子技術(shù)能改善電池性能嗎？似乎可以。蘇塞克斯大學(xué)研究人員領(lǐng)導(dǎo)的一個項目正在使用一種基于量子的傳感器來測量電池的行為，希望由此產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可以用來改進(jìn)電池技術(shù)。

該項目已經(jīng)獲得了伯明翰大學(xué)以及UK Quantum Technology Hub Sensors and Timing的合作資源基金。該項目團(tuán)隊還包括斯特拉斯克萊德大學(xué)和愛丁堡大學(xué)。

該項目可提高電池能量密度、耐久性和安全性，從而推動工業(yè)革命朝著綠色生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展。為了實現(xiàn)這些目標(biāo)，在實施環(huán)境政策的同時，研發(fā)人員需要在這些領(lǐng)域進(jìn)行密集的開發(fā)。

蘇塞克斯大學(xué)實驗物理學(xué)研究教授Peter Kruger強(qiáng)調(diào)，電池似乎是量子電池傳感器的第一大市場，因為電動汽車需要具有高存儲容量的大電池組。Kruger：“這將意味著量子傳感器的首次商業(yè)影響將會令人影響深刻?！?/p>

電池+量子技術(shù)

全新電動汽車控制系統(tǒng)，包括再生制動系統(tǒng)、啟動和停止功能，以及驅(qū)動車輪的電動馬達(dá)，都需要精確測量和控制電子輸入，以優(yōu)化性能，避免災(zāi)難性故障。

這些系統(tǒng)的一個重要組成部分是電池電流測量傳感器，它可以測量電池的充放電水平及其健康狀態(tài)?，F(xiàn)有的一些技術(shù)可以為汽車電池監(jiān)測創(chuàng)造一個良好的電流傳感器。

同時，利用量子計算模擬電池的化學(xué)結(jié)構(gòu)，使這些算法能夠根據(jù)不同標(biāo)準(zhǔn)，如減重、最大密度、電池組裝等，重現(xiàn)電池內(nèi)部的化學(xué)成分。這加快了電池組本身的工業(yè)化進(jìn)程。

量子磁強(qiáng)計技術(shù)

蘇塞克斯大學(xué)項目的目標(biāo)是采用量子磁強(qiáng)計技術(shù)來檢測微小電池電流是否準(zhǔn)確流動。通過這種方式，對新電池和現(xiàn)有電池化學(xué)成分的快速評估將加速電池技術(shù)的創(chuàng)造，從而促進(jìn)電氣化演進(jìn)。

磁強(qiáng)計是一種帶有單個傳感器的儀器，用來測量磁通量密度。量子磁強(qiáng)計是基于亞原子粒子的自旋。每個粒子磁矩與外加場的耦合被量化或限于由量子力學(xué)定律確定的離散值集合。

Kruger指出，近年來有很多鋰電池故障的案例，比如三星Galaxy Note 7智能手機(jī)。監(jiān)測電流可以在這些電池故障發(fā)生之前采取預(yù)防措施。量子傳感器可以通過監(jiān)測電池健康狀況和減少磨損的電池負(fù)荷為電池提供某種智能化功能。

Kruger：“目前的電池監(jiān)測解決方案主要集中在測量電池之間的電壓。這可以很好地顯示電池內(nèi)剩余電量，通過在隨后的充放電循環(huán)中測量這些電壓，可以監(jiān)測電池退化時的充電容量。”

“雖然這些測量對監(jiān)測電池健康狀態(tài)很有用，但它們并不能告訴我們電池內(nèi)部發(fā)生了什么。正在開發(fā)的量子系統(tǒng)可以測量電池產(chǎn)生的磁場，用來推斷流經(jīng)電池的電流。這個系統(tǒng)就像一個“磁性照相機(jī)”，能夠窺視電池內(nèi)部。

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(yùn)行成本的小型、低功耗、便攜式設(shè)備，從而進(jìn)行大批量生產(chǎn)。

為了實現(xiàn)他們的目標(biāo)。這些學(xué)者還將與CDO2、Magnetic Shields和QinetiQ緊密合作。Magnetic Shields公司將提供所需的無噪聲磁環(huán)境，以使傳感器技術(shù)以前所未有的靈敏度進(jìn)行測試。

Kruger：“在研究領(lǐng)域，電池制造商可以測試不同的化學(xué)成分和電池幾何形狀。傳感器可以將診斷信息發(fā)送到電動汽車的車載計算機(jī)，由于不再需要手動檢查，并可以減少服務(wù)間隔。我們正在開發(fā)一種新型的可再生能源儲存技術(shù)，這項技術(shù)可以應(yīng)用于飼養(yǎng)工廠系統(tǒng)里面，同時監(jiān)測電池健康狀況?！?/p>

現(xiàn)階段最大的挑戰(zhàn)是提高電池容量?！霸诩夹g(shù)方面，傳感器不僅對電池的磁場敏感，而且對所有鐵磁物質(zhì)都敏感。我們的大部分工作都是在傳感器設(shè)計上，以及研究如何保護(hù)它們不受外部磁場源的影響。此外還需要考慮的是，該系統(tǒng)將如何過濾掉汽車電動馬達(dá)產(chǎn)生的磁場，或者，當(dāng)每一輛汽車從另一個方向通過傳感器時，大約有一噸的金屬通過傳感器，磁場會發(fā)生快速變化。為此就需要建立所有相關(guān)部件的完整供應(yīng)鏈。我們正在通過提供的產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略資金實現(xiàn)這一目標(biāo)。

電池是脫碳的關(guān)鍵，但在化學(xué)和邊界技術(shù)需要改進(jìn)。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)取得了長足的發(fā)展。檢查每個電池是一項需要考慮諸多因素，例如泄漏和缺陷，這些都會對整個系統(tǒng)的性能產(chǎn)生不利影響，無論它是一輛電動汽車還是一個簡單的消費(fèi)設(shè)備。
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