Pe măsură ce producătorii de vehicule electrice vizează mașini cu autonomie mai mare, încărcare mai rapidă și siguranță îmbunătățită, cererea pentru o tehnologie eficientă de gestionare a bateriei vehiculelor electrice este în creștere. Motiv pentru care în scenă au intrat cercetătorii.
Senzorii utilizați în prezent pentru monitorizarea bateriilor EV suferă adesea de încălzire și pierderi de energie, au uneori o precizie scăzută sau nu reușesc să detecteze mici fluctuații ale curentului bateriei. Toate acestea duc la un management mai puțin eficient al energiei.
Senzorii cuantici din diamant
Senzorii cuantici de diamant pot depăși multe dintre aceste provocări. Cu toate acestea, o piedică este faptul că cristalele de diamant folosite pentru acești senzori sunt de obicei minuscule, măsurând doar câțiva milimetri lățime. Limitarea impusă de dimensiunea lor – care provine din dificultățile în fabricarea substraturilor de diamant mai mari – restricționează modul în care acești senzori pot fi utilizați în diferite industrii.
În încercarea de a rezolva problema, cercetătorii japonezi de la Institutul de Știință din Tokyo (ISCT) au creat un substrat de diamant cu suprafață mare cu centre de azot liber (NV) pe un substrat care nu este diamant. Această configurație funcționează ca platformă perfectă pentru senzorii cuantici de diamant extrem de sensibili pentru bateriile EV.
Cum sunt realizați
Cercetătorii au folosit tehnologia de creștere heteroepitaxială pentru a dezvolta platforma. Acest proces implică creșterea unui strat cristalin pe un substrat dintr-un material diferit, permițând integrarea diferitelor materiale cu proprietăți diferite.
Gândiți-vă la asta ca la așezarea cărămizilor pe o suprafață care nu este același material cu cărămizile, dar asigurându-vă că acestea se aliniază bine. Această metodă a permis integrarea centrelor NV în rețeaua diamantată. Aceste centre sunt cruciale pentru detectarea modificărilor subtile ale câmpurilor magnetice, care este o funcție extrem de utilă pentru monitorizarea bateriilor EV.
Pentru crearea platformei cu senzori cuantici de diamant, oamenii de știință au ales mai întâi un substrat fără diamant compatibil cu creșterea heteroepitaxială. Apoi, prin utilizarea depunerii chimice în vapori (CVD), au depus filme de diamant pe substraturi. Acest lucru le-a permis să aibă un control precis asupra structurii cristaline a diamantului.
Apoi, au adăugat un strat de diamant de 150 de micrometri cu o grosime de azot liber (NV), care a permis senzorului să detecteze mici modificări magnetice. Acest strat a avut un timp de coerență a spinării (T2) de 20 de microsecunde, ceea ce înseamnă că ar putea menține informațiile cuantice suficient de mult pentru măsurători precise.
În cele din urmă, au aliniat centrii NV de-a lungul unor direcții specifice din rețeaua de diamant. Acest lucru a dus la o concentrație de defect de azot de opt părți per milion (ppm), care este un factor cheie în performanța senzorului cuantic .
În plus, pentru a îmbunătăți acuratețea, echipa de cercetare a adăugat un mecanism de corectare a înclinării pentru a se ajusta pentru mici dezechilibre în cristalul de diamant. Acest lucru a asigurat că senzorul a funcționat bine, ca și senzorii tradiționali pe bază de diamant. Senzorul cuantic de diamant cu centre NV era acum gata pentru testare.
Verificarea performanței senzorului
Cercetătorii au testat senzorul folosind o tehnică numită rezonanță magnetică detectată optic (ODMR) într-o configurație bazată pe fibre. ODMR este o tehnică folosită pentru măsurarea câmpurilor magnetice minuscule folosind lumină și microunde.
Funcționează prin detectarea modului în care defectele speciale ale materialelor, cum ar fi centrele NV din diamant, răspund la câmpurile magnetice. Echipa a realizat o detectare a curentului extrem de sensibilă în timpul testării ODMR. Senzorul de diamant ar putea măsura curenți mici de până la 10 miliamperi pe durate diferite, variind între 10 milisecunde și 100 de secunde.
Când vine vorba de bateriile EV , performanța și durata de viață a acestora depind de monitorizarea precisă a modului în care electricitatea intră și iese. Senzorii cuantici de diamant pot detecta mici fluctuații ale curentului și pot ajuta la menținerea sănătății bateriei la niveluri optime.
„Capacitatea de a măsura cu precizie curenții minimizând interferențele face din acest senzor un candidat promițător pentru monitorizarea sistemelor de baterii din vehiculele electrice, unde precizia și fiabilitatea sunt primordiale”, a spus Mutsuko Hatano, unul dintre cercetători și profesor la școala de inginerie de la ISCT.
Comentați?