量子傳感器：可窺視電池內部變化，提高電池密度

量子技術能改善電池性能嗎?似乎可以。蘇塞克斯大學研究人員領導的一個項目正在使用一種基於量子的傳感器來測量電池的行為，希望由此產生的數據可以用來改進電池技術。

該項目已經獲得了伯明罕大學以及UK Quantum Technology Hub Sensors and Timing的合作資源基金。該項目團隊還包括斯特拉斯克萊德大學和愛丁堡大學。

該項目可提高電池能量密度、耐久性和安全性，從而推動工業革命朝著綠色生態系統發展。為了實現這些目標，在實施環境政策的同時，研發人員需要在這些領域進行密集的開發。

蘇塞克斯大學實驗物理學研究教授Peter Kruger強調，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影響將會令人影響深刻。」

電池+量子技術

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

這些系統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。現有的一些技術可以為汽車電池監測創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結構，使這些算法能夠根據不同標準，如減重、最大密度、電池組裝等，重現電池內部的化學成分。這加快了電池組本身的工業化進程。

量子磁強計技術

蘇塞克斯大學項目的目標是採用量子磁強計技術來檢測微小電池電流是否準確流動。通過這種方式，對新電池和現有電池化學成分的快速評估將加速電池技術的創造，從而促進電氣化演進。

磁強計是一種帶有單個傳感器的儀器，用來測量磁通量密度。量子磁強計是基於亞原子粒子的自旋。每個粒子磁矩與外加場的耦合被量化或限於由量子力學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智慧型手機。監測電流可以在這些電池故障發生之前採取預防措施。量子傳感器可以通過監測電池健康狀況和減少磨損的電池負荷為電池提供某種智能化功能。

Kruger：「目前的電池監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剩餘電量，通過在隨後的充放電循環中測量這些電壓，可以監測電池退化時的充電容量。」

「雖然這些測量對監測電池健康狀態很有用，但它們並不能告訴我們電池內部發生了什麼。正在開發的量子系統可以測量電池產生的磁場，用來推斷流經電池的電流。這個系統就像一個「磁性照相機」，能夠窺視電池內部。

該研究小組的目標是開發不需要基礎設施和最低運行成本的小型、低功耗、可攜式設備，從而進行大批量生產。

為了實現他們的目標。這些學者還將與CDO2、Magnetic Shields和QinetiQ緊密合作。Magnetic Shields公司將提供所需的無噪聲磁環境，以使傳感器技術以前所未有的靈敏度進行測試。

Kruger：「在研究領域，電池製造商可以測試不同的化學成分和電池幾何形狀。傳感器可以將診斷信息發送到電動汽車的車載計算機，由於不再需要手動檢查，並可以減少服務間隔。我們正在開發一種新型的可再生能源儲存技術，這項技術可以應用於飼養工廠系統裡面，同時監測電池健康狀況。」

現階段最大的挑戰是提高電池容量。「在技術方面，傳感器不僅對電池的磁場敏感，而且對所有鐵磁物質都敏感。我們的大部分工作都是在傳感器設計上，以及研究如何保護它們不受外部磁場源的影響。此外還需要考慮的是，該系統將如何過濾掉汽車電動馬達產生的磁場，或者，當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，磁場會發生快速變化。為此就需要建立所有相關部件的完整供應鏈。我們正在通過提供的產業戰略資金實現這一目標。

電池是脫碳的關鍵,但在化學和邊界技術需要改進。鋰離子電池仍然是該領域的黃金標準技術，並且已經取得了長足的發展。檢查每個電池是一項需要考慮諸多因素，例如洩漏和缺陷，這些都會對整個系統的性能產生不利影響，無論它是一輛電動汽車還是一個簡單的消費設備。