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
tan-hoang-minh
Tin bài khác
Công ty TNHH Xây dựng và Giải pháp Năng lượng Thông minh tuyển dụng kỹ sư điện

Công ty TNHH Xây dựng và Giải pháp Năng lượng Thông minh tuyển dụng kỹ sư điện

Công ty TNHH Xây dựng và giải pháp Năng lượng Thông minh (INS Engineering) tuyển dụng những bạn trẻ năng động, mong muốn học hỏi và phát triển cùng đội ngũ kỹ sư giàu kinh nghiệm, hỗ trợ các dự án nghiên cứu liên kết lưới điện và năng lượng tái tạo tại thị trường Mỹ, Châu Âu. Tạo nền tàng cho sự phát triển của Châu Á sắp tới.
Thiết bị IoT công nghiệp hết vòng đời: “Điểm mù” an ninh mạng mà doanh nghiệp không thể bỏ qua

Thiết bị IoT công nghiệp hết vòng đời: “Điểm mù” an ninh mạng mà doanh nghiệp không thể bỏ qua

Trong quá trình chuyển đổi số, nhiều nhà máy vẫn duy trì vận hành các thiết bị IoT công nghiệp đã hết vòng đời (End of Life - EOL) nhằm tiết kiệm chi phí đầu tư. Dù vẫn hoạt động ổn định, những thiết bị này lại đang trở thành một trong những điểm yếu lớn nhất của hệ thống an ninh mạng công nghiệp khi không còn được nhà sản xuất cung cấp bản vá bảo mật hay hỗ trợ kỹ thuật.
Có gì đáng chú ý trên 2 mẫu xe điện vừa trình làng của Honda và Yamaha

Có gì đáng chú ý trên 2 mẫu xe điện vừa trình làng của Honda và Yamaha

Trong khuôn khổ sự kiện giới thiệu sản phẩm mới tại thị trường Ấn Độ ngày 24/7, Honda đã công bố mẫu xe máy điện thuần túy QC3, song song với 9 nền tảng xe sử dụng động cơ đốt trong truyền thống.
Nhận định phiên giao dịch ngày 29/7: Ưu tiên nắm giữ danh mục, chờ tín hiệu xác nhận xu hướng

Nhận định phiên giao dịch ngày 29/7: Ưu tiên nắm giữ danh mục, chờ tín hiệu xác nhận xu hướng

Thị trường chứng khoán phục hồi tích cực trong phiên 28/7 sau nhiều phiên chịu áp lực điều chỉnh. Tuy nhiên, thanh khoản chưa thực sự bứt phá khiến xu hướng tăng vẫn cần thêm thời gian xác nhận. Các chuyên gia khuyến nghị nhà đầu tư tiếp tục nắm giữ danh mục, hạn chế bán ra ở vùng giá thấp và chưa vội gia tăng tỷ trọng.
Intel và Fortinet hợp tác tăng cường sức mạnh bảo mật

Intel và Fortinet hợp tác tăng cường sức mạnh bảo mật

Sự kết hợp giữa chuyên môn của Fortinet về công nghệ ASIC chuyên dụng cùng năng lực thiết kế, đóng gói và sản xuất chất bán dẫn của Intel sẽ mang đến những giải pháp và sản phẩm bảo mật quy mô, hiệu suất, bền bỉ hơn cho các tổ chức.
Thông minh hóa hệ thống năng lượng: chìa khóa để TP.Hồ Chí Minh hướng đến mục tiêu Net Zero 2050

Thông minh hóa hệ thống năng lượng: chìa khóa để TP.Hồ Chí Minh hướng đến mục tiêu Net Zero 2050

TP. Hồ Chí Minh đang đứng trước một bài toán chưa từng có tiền lệ: vừa bảo đảm an ninh năng lượng cho một siêu đô thị có tốc độ tăng trưởng cao, vừa phải đáp ứng cam kết phát thải ròng bằng "0" vào năm 2050. Trong bối cảnh đó, câu chuyện phát triển năng lượng tái tạo không còn dừng ở việc tăng thêm các dự án điện mặt trời hay điện gió, mà đã chuyển sang yêu cầu xây dựng một hệ thống năng lượng thông minh, có khả năng điều hành linh hoạt, tối ưu và vận hành theo thời gian thực.
Đại học Bách khoa Hà Nội kết nối cộng đồng nghiên cứu vi sóng Đông Nam Á, mở rộng cơ hội cho nhà khoa học trẻ

Đại học Bách khoa Hà Nội kết nối cộng đồng nghiên cứu vi sóng Đông Nam Á, mở rộng cơ hội cho nhà khoa học trẻ

Hội thảo IEEE MTT-S Broadening Participation Committee Workshop 2026 quy tụ các chuyên gia hàng đầu thế giới trong lĩnh vực vi sóng, truyền thông vô tuyến và công nghệ Terahertz tại Đại học Bách khoa Hà Nội.
Thị trường chứng khoán ngày 28/7: Nhóm chứng khoán dẫn dắt, VN Index bật tăng gần 12 điểm

Thị trường chứng khoán ngày 28/7: Nhóm chứng khoán dẫn dắt, VN Index bật tăng gần 12 điểm

Sau nhiều phiên kém sắc, thị trường đã có một phiên giao dịch mang lại tín hiệu tích cực hơn, với sự dẫn dắt của nhóm chứng khoán. Dù mở đầu bằng một cú rung lắc mạnh, VN Index đã cho thấy sức chống chịu tốt khi lực cầu bắt đáy nhập cuộc đúng thời điểm, giúp chỉ số đảo chiều và đóng cửa gần mức cao nhất trong ngày.
Tử vi vòng quay công nghệ ngày 29/7/2026: Tuổi Dậu đón lộc sự nghiệp, tuổi Dần cần giữ bình tĩnh trước thử thách

Tử vi vòng quay công nghệ ngày 29/7/2026: Tuổi Dậu đón lộc sự nghiệp, tuổi Dần cần giữ bình tĩnh trước thử thách

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 29/7/2026 cho tất cả các tuổi nhằm dự đoán vận hạn về công danh, tiền bạc, tình duyên và sức khỏe.
Pin xe điện chai bao nhiêu sau 100.000 km lăn bánh

Pin xe điện chai bao nhiêu sau 100.000 km lăn bánh

Nỗi băn khoăn lớn nhất của người tiêu dùng khi cân nhắc chuyển đổi sang phương tiện điện hóa thường không nằm ở cự ly vận hành hay hạ tầng trạm sạc, mà tập trung vào giới hạn tuổi thọ và chi phí thay thế bộ pin lưu trữ.
song-gia-tri