量子钻石解除电动汽车“心病”

本文转自：科技日报

上图 氮-空位（NV）中心是金刚石中形成的由氮（N）和空位（V）组成的点缺陷。图片来源：日本东京工业大学官网

下图 钻石在量子传感领域备受青睐。图片来源：《国际电动与混合动力汽车技术》杂志网站

【科技创新世界潮】

◎本报记者 张佳欣

随着人们对环境保护和气候变化关注的增加，越来越多的人开始选择电动汽车作为出行的代步工具。然而，里程焦虑仍然是车主们的一块“心病”。不过，量子技术领域的突破为解决电动汽车的续航问题带来了更多的可能性。

据《日本经济新闻》近日报道，日本东京工业大学科学家研发的钻石量子传感器可将电动汽车的续航里程增加约10%。该技术可精确测量储存的电量，从而最大限度地提高车载电池的性能，他们的目标是最早在2030年将这项技术投入实际应用。

电动汽车电池测量有误差

通常情况下，电动汽车电池的电流可达数百安培，但由于难以准确测量充电量，电池的设置容量比实际可储存电量要少10%左右。

曲阜师范大学物理工程学院教授刘晓兵在接受科技日报记者采访时表示，电动汽车电池电量难以测量的原因有多方面。

例如，电池电压和电流的微小变化都会明显影响电量的检测，尤其对于磷酸铁锂LiFePO4电池，其放电曲线平缓，电芯电压测量精度难以精确控制，传感器的任何小幅度误差都可能导致较大的电量测量误差。

其次，电池包通常由几十个电池芯组成，整体性能由最弱的电芯决定。精确评估电池电量需要对每一个电芯实时监控，这对空间布置以及成本控制都提出了巨大挑战。

此外，电动汽车在运行过程中，由于电池处于持续变化的充放电状态，这就要求传感器能够实时准确地监测这些变化。然而，快速的充放电循环和动态的负载变化可能超出传感器的快速响应能力。

“因此，如果有能以较高的精度测量充电量的传感器，将能充分发挥车载电池的性能。”刘晓兵说。

钻石在量子传感领域备受青睐

长期以来，钻石凭借其相干氮-空位（NV）中心、可调节自旋、磁场敏感性以及在室温下工作的能力，一直在量子传感领域备受青睐。刘晓兵介绍说，钻石本身具有极高的化学稳定性和物理耐用性，是世界上硬度最高导热性最好的材料，这也使得钻石量子传感器非常适合于恶劣环境长期应用。

东京工业大学和汽车零件生产企业矢崎总业公司就将目光投向了钻石量子传感器。他们在钻石的部分结晶中设计特殊结构，使其具有在绿色激光照射下发出红色荧光的性质。根据内部电子的量子状态，荧光的强度会发生变化。受周围电流、磁力、温度的影响，电子的量子状态也会发生变化，因此根据荧光强度就可计算出磁力。

据报道，该传感器可安装在被称为“母线”的金属部件上。“母线”是蓄电池输送电力的通道。传统传感器以1安培为单位测量电流大小，而新开发的传感器以10毫安为单位，精度提高100倍。因此，可让充电量接近电池实际可储存电量，而不用预留10%的空间，电池的续航里程从而得以延长。

刘晓兵进一步解释了钻石量子传感器的科学原理。他表示，NV中心是钻石晶格中的一个碳原子被氮原子替代，并伴随一个相邻位置的空位形成的复合缺陷，具有可操控和读出的电子自旋态。通过光学激发，可读出其自旋态，进而得知外部环境信息。NV中心对外部环境极为敏感，具有纳米级的空间分辨率，在检测环境微弱电场与磁场变化方面具有显著优势，这使得钻石量子传感器在测量充电量方面具有巨大潜力。

各国争抢量子钻石高地

相较于已投入应用的超导量子干涉仪，钻石量子传感器具有更高的检测灵敏度与空间分辨率，而且具备操作简单、环境适应性强、应用范围更广等多种优势。

目前，钻石量子传感器也成了国际量子竞争前沿领域之一。美国、英国、欧盟等西方国家均将NV中心量子调控与量子传感器应用作为重点支持方向。

矢崎总业公司的目标是，最早于2030年实现钻石量子传感器实用化，面向汽车制造商和零部件制造商供货。虽然现在周边设备较大，但通过使用小型半导体激光等，可将量子传感器大小缩小到10立方厘米大小，成本也与以往的电流传感器相当。

不过，东京工业大学教授波多野睦子表示，最大的成本因素是钻石。用于制造量子传感器的钻石是人工合成的，这与从矿山开采、用于珠宝首饰的天然钻石不同。使用廉价线路板，采用从沼气中提炼钻石的量产方法，可大幅降低制造成本。

刘晓兵称，我国作为电动汽车生产与消费的大国，量子级钻石仍严重依赖国外进口，这也成为新能源汽车领域发展所面临的一个重要问题。目前，他带领的团队与其他高校、科研机构合作，成功制备出人造量子钻石，我国山东超晶新材料公司已经实现了厘米级量子钻石的规模化生产。

刘晓兵认为，虽然钻石量子传感器目前面临成本挑战，但考虑到其独特性能和潜在应用，以及后期技术进步带来的成本降低，未来市场前景非常值得期待。