基于量子传感器来测量电池及改进电池技术

量子技术能改善电池性能吗？似乎可以。苏塞克斯大学研究人员领导的一个项目正在使用一种基于量子的传感器来测量电池的行为，希望由此产生的数据可以用来改进电池技术。

该项目已经获得了伯明翰大学以及UK Quantum Technology Hub Sensors and Timing的合作资源基金。该项目团队还包括斯特拉斯克莱德大学和爱丁堡大学。

该项目可提高电池能量密度、耐久性和安全性，从而推动工业革命朝着绿色生态系统发展。为了实现这些目标，在实施环境政策的同时，研发人员需要在这些领域进行密集的开发。

苏塞克斯大学实验物理学研究教授Peter Kruger强调，电池似乎是量子电池传感器的第一大市场，因为电动汽车需要具有高存储容量的大电池组。Kruger：“这将意味着量子传感器的首次商业影响将会令人影响深刻。”

电池+量子技术

全新电动汽车控制系统，包括再生制动系统、启动和停止功能，以及驱动车轮的电动马达，都需要精确测量和控制电子输入，以优化性能，避免灾难性故障。

这些系统的一个重要组成部分是电池电流测量传感器，它可以测量电池的充放电水平及其健康状态。现有的一些技术可以为汽车电池监测创造一个良好的电流传感器。

同时，利用量子计算模拟电池的化学结构，使这些算法能够根据不同标准，如减重、最大密度、电池组装等，重现电池内部的化学成分。这加快了电池组本身的工业化进程。

量子磁强计技术

苏塞克斯大学项目的目标是采用量子磁强计技术来检测微小电池电流是否准确流动。通过这种方式，对新电池和现有电池化学成分的快速评估将加速电池技术的创造，从而促进电气化演进。

磁强计是一种带有单个传感器的仪器，用来测量磁通量密度。量子磁强计是基于亚原子粒子的自旋。每个粒子磁矩与外加场的耦合被量化或限于由量子力学定律确定的离散值集合。

Kruger指出，近年来有很多锂电池故障的案例，比如三星Galaxy Note 7智能手机。监测电流可以在这些电池故障发生之前采取预防措施。量子传感器可以通过监测电池健康状况和减少磨损的电池负荷为电池提供某种智能化功能。

Kruger：“目前的电池监测解决方案主要集中在测量电池之间的电压。这可以很好地显示电池内剩余电量，通过在随后的充放电循环中测量这些电压，可以监测电池退化时的充电容量。”

“虽然这些测量对监测电池健康状态很有用，但它们并不能告诉我们电池内部发生了什么。正在开发的量子系统可以测量电池产生的磁场，用来推断流经电池的电流。这个系统就像一个“磁性照相机”，能够窥视电池内部。

该研究小组的目标是开发不需要基础设施和最低运行成本的小型、低功耗、便携式设备，从而进行大批量生产。

为了实现他们的目标。这些学者还将与CDO2、Magnetic Shields和QinetiQ紧密合作。Magnetic Shields公司将提供所需的无噪声磁环境，以使传感器技术以前所未有的灵敏度进行测试。

Kruger：“在研究领域，电池制造商可以测试不同的化学成分和电池几何形状。传感器可以将诊断信息发送到电动汽车的车载计算机，由于不再需要手动检查，并可以减少服务间隔。我们正在开发一种新型的可再生能源储存技术，这项技术可以应用于饲养工厂系统里面，同时监测电池健康状况。”

现阶段最大的挑战是提高电池容量。“在技术方面，传感器不仅对电池的磁场敏感，而且对所有铁磁物质都敏感。我们的大部分工作都是在传感器设计上，以及研究如何保护它们不受外部磁场源的影响。此外还需要考虑的是，该系统将如何过滤掉汽车电动马达产生的磁场，或者，当每一辆汽车从另一个方向通过传感器时，大约有一吨的金属通过传感器，磁场会发生快速变化。为此就需要建立所有相关部件的完整供应链。我们正在通过提供的产业战略资金实现这一目标。

电池是脱碳的关键，但在化学和边界技术需要改进。锂离子电池仍然是该领域的黄金标准技术，并且已经取得了长足的发展。检查每个电池是一项需要考虑诸多因素，例如泄漏和缺陷，这些都会对整个系统的性能产生不利影响，无论它是一辆电动汽车还是一个简单的消费设备。
编辑：hfy