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(gè)項目，正利用以量子為基礎的傳感器來(lái)測量電池行為，期望所取得的數據能為電池技術(shù)帶來(lái)改善。
 
該研究專(zhuān)業(yè)獲得了英國伯明翰大學(xué)(University of Birmingham)主持之感測與時(shí)序量子技術(shù)中心(UK Quantum Technology Hub Sensors and Timing)的 Partnership Resource Funding 資金挹注，團隊成員還包括來(lái)自斯特拉斯克萊德(Strathclyde)與愛(ài)丁堡(Edinburgh)兩所大學(xué)組成的聯(lián)盟。
 
這項項目著(zhù)眼于對電池越來(lái)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(dòng)朝向更環(huán)保生態(tài)系統邁進(jìn)的工業(yè)革命。薩賽克斯大學(xué)實(shí)驗物理學(xué)研究教授 Peter Kruger 接受《EE Times》采訪(fǎng)時(shí)強調，電池會(huì )是量子傳感器的第一個(gè)大市場(chǎng)，因為電動(dòng)車(chē)需要具備高容量的大型電池組;“這將意味著(zhù)量子傳感器首次在商業(yè)市場(chǎng)上發(fā)揮顯著(zhù)影響力�！�
 
電池與量子技術(shù)

新一代電動(dòng)車(chē)控制系統，包括再生煞車(chē)系統、怠速 / 熄火(start & stop)功能以及驅動(dòng)輪胎的電動(dòng)馬達，都需要精確的測量與電氣輸入控制，以?xún)?yōu)化性能并避免災難性的故障。電池傳感器是系統中的關(guān)鍵組件，負責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(lái)打造優(yōu)良的車(chē)用電池監測傳感器。
 
在此同時(shí)，利用量子運算來(lái)仿真電池的化學(xué)結構，使得利用算法來(lái)根據不同參數標準──例如重量減輕、最大密度以及電池芯組裝──重現電池內部的化學(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，是實(shí)現量子磁力計技術(shù)，以檢驗微觀(guān)電池電流是否準確地流動(dòng)。透過(guò)這種方式，能對新電池與現有電池的化學(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(chē)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，每個(gè)粒子磁矩(particle magnetic moment)與所施加磁場(chǎng)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(lái)有數起鋰電池故障的事件成為新聞頭條，像是 Samsung Galaxy Note 7 智能型手機的電池爆炸意外。監測電流能在電池故障發(fā)生之前采取預防措施，而量子傳感器能提供一些智能功能，讓電池監測電池健康狀態(tài)并減少磨損最嚴重的電池芯負載。
 
“目前的電池監測解決方案主要聚焦于測量整個(gè)電池的電壓，”Kruger 表示：“這能為電池內剩余的電量提供良好的指示，此外透過(guò)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測�！�
 
他補充指出：“雖然那些測量方法在監測電池健康狀態(tài)方面是有用的，但無(wú)法告訴我們太多電池內部的情形;研發(fā)中的量子系統能測量電池產(chǎn)生的磁場(chǎng)，用于推斷流經(jīng)電池的電流。這種系統就像“磁場(chǎng)攝影機”，能窺探電池內部�！�
 
研究團隊的目標是開(kāi)發(fā)小巧、低功耗、可攜帶的裝置，不需要仰賴(lài)基礎設施、運作成本最小化，并因此適合經(jīng)濟規模量產(chǎn)。此外也與 CDO2、Magnetic Shields 與 QinetiQ 等英國業(yè)者合作以實(shí)現目標。Magnetic Shields 將提供無(wú)磁性噪聲(magnetic noise-free)的環(huán)境，進(jìn)行前所未見(jiàn)的高敏感度傳感器技術(shù)測試。
 
Kruger 指出，將會(huì )有大量的應用在電池的研發(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(dòng)車(chē)的車(chē)載計算機，并因為不再需要人工檢查而能增加車(chē)輛保養的頻率。電池農場(chǎng)(battery farms)正發(fā)展為一種再生能源儲存形式，透過(guò)采用量子電池傳感器技術(shù)，能實(shí)現智能充電系統并監測電池的健康狀態(tài)。
 
而目前最大的挑戰是不斷提升電池的容量。Kruger 表示，從技術(shù)的角度來(lái)看，量子傳感器不只對電池的磁場(chǎng)敏感，對所有的鐵磁材料亦然;“我們大多數的工作是在于傳感器的設計，并研究該如何將傳感器與外部磁源隔絕�！�
 
他補充指出，團隊得思考系統將如何過(guò)濾由車(chē)輛電動(dòng)馬達產(chǎn)生的磁場(chǎng)，還有外面每一次有車(chē)輛經(jīng)過(guò)時(shí)對傳感器帶來(lái)的快速磁場(chǎng)變化。此外需要建立具備所有相關(guān)零組件的完整供應鏈，“我們正在透過(guò)同時(shí)進(jìn)行的產(chǎn)業(yè)策略募資來(lái)實(shí)現這個(gè)目標�！�