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量子技術(shù)能否提升電池性能?答案是肯定的──由英國薩賽克斯大學(xué)(University of Sussex)研究人員領(lǐng)軍的一個項目，正利用以量子為基礎(chǔ)的傳感器來測量電池行為，期望所取得的數(shù)據(jù)能為電池技術(shù)帶來改善。
 
該研究專業(yè)獲得了英國伯明翰大學(xué)(University of Birmingham)主持之感測與時序量子技術(shù)中心(UK Quantum Technology Hub Sensors and Timing)的 Partnership Resource Funding 資金挹注，團(tuán)隊成員還包括來自斯特拉斯克萊德(Strathclyde)與愛丁堡(Edinburgh)兩所大學(xué)組成的聯(lián)盟。
 
這項項目著眼于對電池越來越高的能量密度、耐用性與安全性等關(guān)鍵需求，并將因此推動朝向更環(huán)保生態(tài)系統(tǒng)邁進(jìn)的工業(yè)革命。薩賽克斯大學(xué)實驗物理學(xué)研究教授 Peter Kruger 接受《EE Times》采訪時強(qiáng)調(diào)，電池會是量子傳感器的第一個大市場，因為電動車需要具備高容量的大型電池組;“這將意味著量子傳感器首次在商業(yè)市場上發(fā)揮顯著影響力�！�
 
電池與量子技術(shù)

新一代電動車控制系統(tǒng)，包括再生煞車系統(tǒng)、怠速 / 熄火(start & stop)功能以及驅(qū)動輪胎的電動馬達(dá)，都需要精確的測量與電氣輸入控制，以優(yōu)化性能并避免災(zāi)難性的故障。電池傳感器是系統(tǒng)中的關(guān)鍵組件，負(fù)責(zé)測量電池的充放電水平以及健康狀態(tài)，目前市面上有一些技術(shù)可用來打造優(yōu)良的車用電池監(jiān)測傳感器。
 
在此同時，利用量子運(yùn)算來仿真電池的化學(xué)結(jié)構(gòu)，使得利用算法來根據(jù)不同參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)──例如重量減輕、最大密度以及電池芯組裝──重現(xiàn)電池內(nèi)部的化學(xué)成份成為可能，這將能加速電池組本身的工業(yè)化。
 
薩賽克斯大學(xué)項目的目標(biāo)，是實現(xiàn)量子磁力計技術(shù)，以檢驗微觀電池電流是否準(zhǔn)確地流動。透過這種方式，能對新電池與現(xiàn)有電池的化學(xué)成份進(jìn)行快速評估，以加快打造更優(yōu)質(zhì)電池技術(shù)的速度，并促進(jìn)車輛的電氣化。
 
磁力計是用以測量磁通量密度(magnetic flux density)的單一傳感器，量子磁力計是以次原子粒子(subatomic particles)的自旋為基礎(chǔ)，每個粒子磁矩(particle magnetic moment)與所施加磁場的耦合被量化，或限制于一組由量子力學(xué)定律決定的離散值。
 
Kruger 指出，近年來有數(shù)起鋰電池故障的事件成為新聞頭條，像是 Samsung Galaxy Note 7 智能型手機(jī)的電池爆炸意外。監(jiān)測電流能在電池故障發(fā)生之前采取預(yù)防措施，而量子傳感器能提供一些智能功能，讓電池監(jiān)測電池健康狀態(tài)并減少磨損最嚴(yán)重的電池芯負(fù)載。
 
“目前的電池監(jiān)測解決方案主要聚焦于測量整個電池的電壓，”Kruger 表示：“這能為電池內(nèi)剩余的電量提供良好的指示，此外透過量測多次充 / 放電循環(huán)中的電壓，電量還是能在電池退化的情況下被監(jiān)測。”
 
他補(bǔ)充指出：“雖然那些測量方法在監(jiān)測電池健康狀態(tài)方面是有用的，但無法告訴我們太多電池內(nèi)部的情形;研發(fā)中的量子系統(tǒng)能測量電池產(chǎn)生的磁場，用于推斷流經(jīng)電池的電流。這種系統(tǒng)就像“磁場攝影機(jī)”，能窺探電池內(nèi)部�！�
 
研究團(tuán)隊的目標(biāo)是開發(fā)小巧、低功耗、可攜帶的裝置，不需要仰賴基礎(chǔ)設(shè)施、運(yùn)作成本最小化，并因此適合經(jīng)濟(jì)規(guī)模量產(chǎn)。此外也與 CDO2、Magnetic Shields 與 QinetiQ 等英國業(yè)者合作以實現(xiàn)目標(biāo)。Magnetic Shields 將提供無磁性噪聲(magnetic noise-free)的環(huán)境，進(jìn)行前所未見的高敏感度傳感器技術(shù)測試。
 
Kruger 指出，將會有大量的應(yīng)用在電池的研發(fā)階段，讓制造商測試不同的化學(xué)配方與電池芯尺寸;傳感器能傳送診斷信息到電動車的車載計算機(jī)，并因為不再需要人工檢查而能增加車輛保養(yǎng)的頻率。電池農(nóng)場(battery farms)正發(fā)展為一種再生能源儲存形式，透過采用量子電池傳感器技術(shù)，能實現(xiàn)智能充電系統(tǒng)并監(jiān)測電池的健康狀態(tài)。
 
而目前最大的挑戰(zhàn)是不斷提升電池的容量。Kruger 表示，從技術(shù)的角度來看，量子傳感器不只對電池的磁場敏感，對所有的鐵磁材料亦然;“我們大多數(shù)的工作是在于傳感器的設(shè)計，并研究該如何將傳感器與外部磁源隔絕�！�
 
他補(bǔ)充指出，團(tuán)隊得思考系統(tǒng)將如何過濾由車輛電動馬達(dá)產(chǎn)生的磁場，還有外面每一次有車輛經(jīng)過時對傳感器帶來的快速磁場變化。此外需要建立具備所有相關(guān)零組件的完整供應(yīng)鏈，“我們正在透過同時進(jìn)行的產(chǎn)業(yè)策略募資來實現(xiàn)這個目標(biāo)�！�