Theo dõi pin EV với cảm biến lượng tử kim cương có độ nhạy cao

Công nghiệp năng lượng
11/03/2025 16:09
Khi thử nghiệm cảm biến bằng kỹ thuật cộng hưởng từ phát hiện quang học (ODMR), các nhà nghiên cứu phát hiện có thể đo dòng điện nhỏ tới 10 miliampe trong các khoảng thời gian khác nhau.
aa
Nghiên cứu và đánh giá mô hình tái chế rác thải từ pin năng lượng mặt trời [Infographic] Những ưu điểm của pin năng lượng mặt trời

Cảm biến đang sử dụng trên thị trường có nhiều hạn chế

Theo đó, khi hướng đến xe điện có phạm vi hoạt động xa hơn, sạc nhanh hơn và cải thiện độ an toàn, các nhà sản xuất cũng nhận thấy nhu cầu về công nghệ quản lý pin xe điện hiệu quả đang tăng lên. Các cảm biến hiện đang được sử dụng để theo dõi pin xe điện thường bị nóng và mất năng lượng, gặp khó khăn với độ chính xác thấp và đôi khi không phát hiện được những biến động nhỏ trong dòng điện của pin, dẫn đến việc quản lý năng lượng kém hiệu quả hơn.

Nghiên cứu chỉ ra, cảm biến lượng tử kim cương có thể khắc phục được những hạn chế nêu trên. Tuy nhiên, tinh thể kim cương được sử dụng cho các cảm biến này thường rất nhỏ, chỉ rộng vài milimét. Giới hạn kích thước xuất phát từ những khó khăn trong việc sản xuất các chất nền kim cương, dẫn đến hạn chế các cảm biến trong công nghiệp.

Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu Nhật Bản từ Viện Khoa học Tokyo (ISCT) đã tạo ra một chất nền kim cương diện tích lớn với các tâm khuyết nitơ (NV) trên một chất nền không phải kim cương. Thiết lập này hoạt động giống như một nền tảng hoàn hảo cho các cảm biến lượng tử kim cương có độ nhạy cao dành cho pin EV.

Theo dõi pin EV với cảm biến lượng tử kim cương có độ nhạy cao
Cảm biến lượng tử kim cương có thể khắc phục được những hạn chế của cảm biến hiện đang sử dụng (Ảnh minh họa, Interesting Engineering)

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng công nghệ tăng trưởng heteroepitaxial để phát triển nền tảng. Quá trình này bao gồm việc phát triển một lớp tinh thể trên một chất nền của một vật liệu khác, cho phép tích hợp các vật liệu khác nhau với các đặc tính khác nhau.

Có thể hình dung như việc đặt những viên gạch không cùng vật liệu trên một bề mặt, nhưng đảm bảo chúng được xếp thẳng hàng. Phương pháp này cho phép tích hợp các trung tâm NV trong mạng tinh thể kim cương. Các trung tâm này rất quan trọng để phát hiện những thay đổi tinh tế trong từ trường, đây là một chức năng rất hữu ích để theo dõi pin EV.

Để tạo ra nền tảng cảm biến lượng tử kim cương, trước tiên các nhà khoa học đã chọn một chất nền không phải kim cương tương thích với sự phát triển heteroepitaxial. Sau đó, bằng cách sử dụng lắng đọng hơi hóa học (CVD), họ lắng đọng các màng kim cương lên các chất nền. Điều này cho phép họ kiểm soát chính xác cấu trúc tinh thể của kim cương.

Tiếp theo, họ thêm một lớp kim cương nitơ-vacancy (NV) dày 150 micromet, cho phép cảm biến phát hiện những thay đổi từ tính nhỏ. Lớp này có thời gian liên kết spin (T2) là 20 micro giây, nghĩa là nó có thể duy trì thông tin lượng tử đủ lâu để đo chính xác.

Cuối cùng, họ căn chỉnh các tâm NV theo các hướng cụ thể trong mạng kim cương. Điều này dẫn đến nồng độ khuyết tật nitơ là tám phần triệu (ppm), đây là yếu tố chính trong hiệu suất cảm biến lượng tử .

Ngoài ra, để cải thiện độ chính xác, nhóm nghiên cứu đã thêm một cơ chế hiệu chỉnh độ nghiêng để điều chỉnh các sai lệch nhỏ trong tinh thể kim cương. Điều này đảm bảo cảm biến hoạt động tốt, giống như các cảm biến dựa trên kim cương truyền thống. Cảm biến lượng tử kim cương với các trung tâm NV hiện đã sẵn sàng để thử nghiệm.

Theo dõi pin EV với cảm biến lượng tử kim cương có độ nhạy cao
Sơ đồ cho thấy quá trình sản xuất cảm biến lượng tử kim cương (Nguồn ảnh: Kajiyama và cộng sự)

Cảm biến kim cương có thể đo các dòng điện nhỏ tới 10 miliampe

Các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm cảm biến bằng một kỹ thuật gọi là cộng hưởng từ phát hiện quang học (ODMR) trong một thiết lập dựa trên sợi quang. ODMR là một kỹ thuật được sử dụng để đo các từ trường nhỏ bằng ánh sáng và vi sóng. Nó hoạt động bằng cách phát hiện cách các khuyết tật đặc biệt trong vật liệu, như các trung tâm NV trong kim cương, phản ứng với từ trường.

Nhóm nghiên cứu đã đạt được khả năng phát hiện dòng điện có độ nhạy cao trong quá trình thử nghiệm ODMR. Cảm biến kim cương có thể đo các dòng điện nhỏ tới 10 miliampe trong các khoảng thời gian khác nhau, dao động từ 10 mili giây đến 100 giây.

Khi nói đến pin EV, hiệu suất và tuổi thọ của chúng phụ thuộc vào việc theo dõi chính xác cách dòng điện chảy vào và ra. Cảm biến lượng tử kim cương có thể phát hiện những biến động nhỏ trong dòng điện và giúp duy trì tình trạng pin ở mức tối ưu.

Mutsuko Hatano, giáo sư tại trường kỹ thuật ISCT, một trong những nhà nghiên cứu cho biết: "Khả năng đo dòng điện chính xác trong khi giảm thiểu nhiễu khiến cảm biến này trở thành ứng cử viên đầy hứa hẹn để giám sát hệ thống pin trong xe điện, nơi độ chính xác và độ tin cậy là tối quan trọng".

Nhóm nghiên cứu cũng lập kế hoạch tăng mật độ các trung tâm NV trong các cảm biến kim cương để có thể mang lại hiệu suất tốt hơn. Hy vọng, nghiên cứu hiện tại và tương lai sẽ sớm cho phép tích hợp công nghệ lượng tử đầy hứa hẹn này vào EV trên quy mô lớn.

Nguyên Ngọc (Theo Interesting Engineering)

Bài liên quan
ar
Tin bài khác
Nhận định phiên giao dịch ngày 8/4: Duy trì tỷ trọng cổ phiếu ở mức 30-45%

Nhận định phiên giao dịch ngày 8/4: Duy trì tỷ trọng cổ phiếu ở mức 30-45%

Thị trường chứng khoán đang phát tín hiệu cân bằng trở lại sau nhịp điều chỉnh ngắn hạn, song thanh khoản suy giảm cho thấy lực cầu vẫn thận trọng. Trong bối cảnh xu hướng chưa thực sự rõ ràng, nhà đầu tư được khuyến nghị duy trì tỷ trọng cổ phiếu ở mức 30-45% và hạn chế sử dụng đòn bẩy.
Giải pháp nâng cao an toàn trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt

Giải pháp nâng cao an toàn trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt

Tập đoàn công nghệ Honeywell vừa giới thiệu cảm biến khí hydrocarbon mới ứng dụng công nghệ hồng ngoại không phân tán (NDIR - Non-Dispersive Infrared), nhằm phát hiện các loại khí dễ cháy như metan, propan và butan trong môi trường công nghiệp. Giải pháp cảm biến này được thiết kế để tăng cường an toàn cho người lao động và bảo vệ cơ sở hạ tầng trong các lĩnh vực có nguy cơ cao như khai thác mỏ, dầu khí, hóa dầu và sản xuất nhựa.
Hé lộ Xiaomi 17 Max: “Quái vật” pin 8.000 mAh, camera 200MP, dự kiến ra mắt tháng 5

Hé lộ Xiaomi 17 Max: “Quái vật” pin 8.000 mAh, camera 200MP, dự kiến ra mắt tháng 5

Những thông tin rò rỉ mới nhất cho thấy Xiaomi 17 Max - mảnh ghép cuối cùng của dòng Xiaomi 17 sẽ trình làng tại Trung Quốc vào tháng 5 tới, gây chú ý với cấu hình mạnh mẽ, pin dung lượng lớn và hệ thống camera cao cấp.
Thị trường chứng khoán ngày 07/04: Thanh khoản rơi xuống mức thấp nhất kể từ đầu năm

Thị trường chứng khoán ngày 07/04: Thanh khoản rơi xuống mức thấp nhất kể từ đầu năm

Thị trường chứng kiến dòng tiền co cụm và rơi xuống mức thấp nhất từ đầu năm và VN Index lưỡng lự quanh đường MA20. Trong khi đó, nhóm chứng khoán bất ngờ “dậy sóng” cuối phiên với thông tin liên quan đến nâng hạng thị trường.
Doanh nghiệp và nhà trường chung tay giải bài toán đào tạo đại học

Doanh nghiệp và nhà trường chung tay giải bài toán đào tạo đại học

Ông Dago Caceres, Phó Chủ tịch cấp cao kiêm Tổng Giám đốc mảng phụ gia chuyên dụng của Tập đoàn Ashland vừa tới Việt Nam, và có một buổi thảo luận quan trọng với Trường Hóa và Khoa học Sự sống - Đại học Bách khoa Hà Nội về vấn đề định hình lại cách đào tạo.
Tử vi vòng quay công nghệ ngày 8/4/2026: Tuổi Tỵ không mấy suôn sẻ, tuổi Thân khá trôi chảy

Tử vi vòng quay công nghệ ngày 8/4/2026: Tuổi Tỵ không mấy suôn sẻ, tuổi Thân khá trôi chảy

Những bí ẩn của khoa học đời sống là "món ăn" tinh thần không thể thiếu trong cuộc sống của con người. Tử vi vòng quay công nghệ xem tử vi 12 con giáp ngày 8/4/2026 cho tất cả các tuổi nhằm dự đoán vận hạn về công danh, tiền bạc, tình duyên, sức khỏe...
Ông Lê Minh Hưng được bầu giữ chức Thủ tướng Chính phủ

Ông Lê Minh Hưng được bầu giữ chức Thủ tướng Chính phủ

Ông Lê Minh Hưng, Ủy viên Bộ Chính trị, Bí thư Trung ương Đảng, Trưởng Ban Tổ chức Trung ương, vừa được Quốc hội bầu giữ chức Thủ tướng Chính phủ nhiệm kỳ 2026 - 2031.
Tổng Bí thư Tô Lâm được bầu giữ chức Chủ tịch nước

Tổng Bí thư Tô Lâm được bầu giữ chức Chủ tịch nước

Với 495/495 đại biểu tham gia biểu quyết tán thành, Quốc hội đã biểu quyết thông qua Nghị quyết bầu Tổng Bí thư Tô Lâm giữ chức Chủ tịch nước Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam nhiệm kỳ 2026-2031.
Quốc hội khóa XVI kiện toàn nhân sự cấp cao, bầu 6 Phó Chủ tịch Quốc hội

Quốc hội khóa XVI kiện toàn nhân sự cấp cao, bầu 6 Phó Chủ tịch Quốc hội

Chiều 6/4, Quốc hội khóa XVI đã tiến hành kiện toàn bộ máy lãnh đạo với việc bầu 6 Phó Chủ tịch Quốc hội cùng nhiều chức danh quan trọng khác. Các nghị quyết nhân sự được thông qua với tỷ lệ tán thành gần như tuyệt đối, thể hiện sự đồng thuận cao của các đại biểu.
Bộ GDĐT yêu cầu tăng cường biện pháp bảo đảm an toàn thực phẩm trường học

Bộ GDĐT yêu cầu tăng cường biện pháp bảo đảm an toàn thực phẩm trường học

Bộ Giáo dục và Đào tạo (Bộ GDĐT) vừa ban hành Công văn số 1602/BGDĐT-HSSV, gửi các Sở GDĐT, các cơ sở giáo dục đại học, cơ sở giáo dục nghề nghiệp về việc tăng cường biện pháp bảo đảm an toàn thực phẩm trong các cơ sở giáo dục.
song-gia-tri