日本東京工業大學：量子鑽石解除電動汽車“心病”

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：日本東京工業大學官網

　　鑽石在量子傳感領域備受青睞。圖片來源：《國際電動與混合動力汽車技術》雜志網站

　　隨著人們對環境保護和氣候變化關注的增加，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，裡程焦慮仍然是車主們的一塊“心病”。不過，量子技術領域的突破為解決電動汽車的續航問題帶來了更多的可能性。

　　據《日本經濟新聞》近日報道，日本東京工業大學科學家研發的鑽石量子傳感器可將電動汽車的續航裡程增加約10%。該技術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年將這項技術投入實際應用。

　　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百安培，但由於難以准確測量充電量，電池的設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採訪時表示，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，尤其對於磷酸鐵鋰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控，這對空間布置以及成本控制都提出了巨大挑戰。

　　此外，電動汽車在運行過程中，由於電池處於持續變化的充放電狀態，這就要求傳感器能夠實時准確地監測這些變化。然而，快速的充放電循環和動態的負載變化可能超出傳感器的快速響應能力。

　　“因此，如果有能以較高的精度測量充電量的傳感器，將能充分發揮車載電池的性能。”劉曉兵說。

　　鑽石在量子傳感領域備受青睞

　　長期以來，鑽石憑借其相干氮-空位（NV）中心、可調節自旋、磁場敏感性以及在室溫下工作的能力，一直在量子傳感領域備受青睞。劉曉兵介紹說，鑽石本身具有極高的化學穩定性和物理耐用性，是世界上硬度最高導熱性最好的材料，這也使得鑽石量子傳感器非常適合於惡劣環境長期應用。

　　東京工業大學和汽車零件生產企業矢崎總業公司就將目光投向了鑽石量子傳感器。他們在鑽石的部分結晶中設計特殊結構，使其具有在綠色激光照射下發出紅色熒光的性質。根據內部電子的量子狀態，熒光的強度會發生變化。受周圍電流、磁力、溫度的影響，電子的量子狀態也會發生變化，因此根據熒光強度就可計算出磁力。

　　據報道，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。傳統傳感器以1安培為單位測量電流大小，而新開發的傳感器以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，而不用預留10%的空間，電池的續航裡程從而得以延長。

　　劉曉兵進一步解釋了鑽石量子傳感器的科學原理。他表示，NV中心是鑽石晶格中的一個碳原子被氮原子替代，並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。通過光學激發，可讀出其自旋態，進而得知外部環境信息。NV中心對外部環境極為敏感，具有納米級的空間分辨率，在檢測環境微弱電場與磁場變化方面具有顯著優勢，這使得鑽石量子傳感器在測量充電量方面具有巨大潛力。

　　各國爭搶量子鑽石高地

　　相較於已投入應用的超導量子干涉儀，鑽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、環境適應性強、應用范圍更廣等多種優勢。

　　目前，鑽石量子傳感器也成了國際量子競爭前沿領域之一。美國、英國、歐盟等西方國家均將NV中心量子調控與量子傳感器應用作為重點支持方向。

　　矢崎總業公司的目標是，最早於2030年實現鑽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。雖然現在周邊設備較大，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，東京工業大學教授波多野睦子表示，最大的成本因素是鑽石。用於制造量子傳感器的鑽石是人工合成的，這與從礦山開採、用於珠寶首飾的天然鑽石不同。使用廉價線路板，採用從沼氣中提煉鑽石的量產方法，可大幅降低制造成本。

　　劉曉兵稱，我國作為電動汽車生產與消費的大國，量子級鑽石仍嚴重依賴國外進口，這也成為新能源汽車領域發展所面臨的一個重要問題。目前，他帶領的團隊與其他高校、科研機構合作，成功制備出人造量子鑽石，我國山東超晶新材料公司已經實現了厘米級量子鑽石的規模化生產。

　　劉曉兵認為，雖然鑽石量子傳感器目前面臨成本挑戰，但考慮到其獨特性能和潛在應用，以及后期技術進步帶來的成本降低，未來市場前景非常值得期待。（記者 張佳欣）