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
Đẩy mạnh phát triển công nghệ chiến lược, AI và hạ tầng số

Đẩy mạnh phát triển công nghệ chiến lược, AI và hạ tầng số

Bộ KH&CN đang tiếp tục triển khai đồng bộ các nhiệm vụ về hoàn thiện thể chế, phát triển khoa học, công nghệ, đổi mới sáng tạo và chuyển đổi số quốc gia, tập trung vào công nghệ chiến lược, trí tuệ nhân tạo (AI), hạ tầng số và công nghiệp công nghệ số.
Daviteq tuyển dụng kỹ sư Ứng dụng và Tư vấn Giải pháp IoT Công nghiệp

Daviteq tuyển dụng kỹ sư Ứng dụng và Tư vấn Giải pháp IoT Công nghiệp

Daviteq đang tìm thêm một Application Engineer tham gia đội ngũ Presales & Aftersales, cùng đưa các sản phẩm Industrial IoT do chính đội ngũ Daviteq nghiên cứu, thiết kế và sản xuất đến khách hàng tại hơn 60 quốc gia.
[E-Magazine] Bản đồ quyền lực AI công nghiệp trong cuộc tái phân cấp toàn cầu

[E-Magazine] Bản đồ quyền lực AI công nghiệp trong cuộc tái phân cấp toàn cầu

Trong kỷ nguyên trí tuệ nhân tạo (AI) công nghiệp, quyền lực không còn đo bằng quy mô sản xuất hay tốc độ tăng trưởng đơn thuần mà dịch chuyển sang tầng sâu hơn - ai kiểm soát được chuỗi hạ tầng của trí tuệ máy móc? Từ chip bán dẫn, nền tảng điện toán đám mây, mô hình AI đến hệ thống nhà máy tự trị, thế giới đang hình thành một trật tự mới, nơi công nghệ trở thành cấu trúc quyền lực mang tính địa chính trị. Bốn trung tâm lớn gồm Hoa Kỳ, Liên minh châu Âu, Trung Quốc và Nhật Bản đang bước vào một trạng thái cạnh tranh không đối xứng nhưng có tính cộng hưởng sâu sắc.
Người dân Hà Nội đội nắng tham quan Nhà tù Hỏa Lò, ra Hồ Gươm check-in giữa rừng hoa dịp 2/9

Người dân Hà Nội đội nắng tham quan Nhà tù Hỏa Lò, ra Hồ Gươm check-in giữa rừng hoa dịp 2/9

Trong những ngày đầu kỳ nghỉ lễ Quốc khánh 2/9, khu vực trung tâm Hà Nội ghi nhận không khí nhộn nhịp tại nhiều điểm tham quan, vui chơi quen thuộc.
Tử vi vòng quay công nghệ ngày 1/9/2026: Tuổi Dần vận trình khởi sắc, tuổi Thân cần thận trọng

Tử vi vòng quay công nghệ ngày 1/9/2026: Tuổi Dần vận trình khởi sắc, tuổi Thân cần thận trọng

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 1/9/2026 nhằm dự đoán vận hạn về công danh, tiền bạc, tình duyên và sức khỏe.
NMLD Dung Quất duy trì vận hành liên tục với 1,25 triệu thùng dầu thô dịp Quốc khánh

NMLD Dung Quất duy trì vận hành liên tục với 1,25 triệu thùng dầu thô dịp Quốc khánh

Trong kỳ nghỉ Quốc khánh 2/9, Nhà máy Lọc dầu (NMLD) Dung Quất, thuộc Tổng công ty Lọc hóa dầu Việt Nam (BSR), đơn vị thành viên của PETROVIETNAM, sẽ tiếp nhận 2 chuyến tàu dầu thô với tổng khối lượng khoảng 1,25 triệu thùng.
Khởi động động cơ điện cao áp bằng bộ truyền động tần số biến đổi

Khởi động động cơ điện cao áp bằng bộ truyền động tần số biến đổi

Bài viết xem xét các đặc điểm đặc biệt của việc sử dụng biến tần đề khởi động động cơ điện cao áp. Những tác động của phương pháp khởi động này lên dòng điện tải; sụt áp của lưới điện nguồn; sự quá tải cơ khí của cơ cấu truyền động được xem xét. Cấu trúc của bộ biến tần cao áp; những yêu cầu chính đối với thuật toán gia tốc; thuật toán giới hạn dòng điện khởi động; thuật toán chuyển dịch động cơ một cách đồng bộ vào lưới điện khi kết thúc quá trình khưởi động, được mô tả.
Việt Nam đặt mục tiêu đưa AI vào nhóm dẫn đầu Đông Nam Á

Việt Nam đặt mục tiêu đưa AI vào nhóm dẫn đầu Đông Nam Á

Chiến lược quốc gia về Trí tuệ nhân tạo đến năm 2030 đặt mục tiêu đưa Việt Nam vào nhóm 3 nước dẫn đầu Đông Nam Á về nghiên cứu, phát triển AI, đóng góp khoảng 6% GDP và đạt kim ngạch xuất khẩu sản phẩm, dịch vụ và giải pháp AI khoảng 5 tỷ USD.
Kỳ 6: Pin xe điện - trái tim kinh tế của hành trình xanh

Kỳ 6: Pin xe điện - trái tim kinh tế của hành trình xanh

Một chiếc xe điện có thể được nhận ra bằng dáng xe, màn hình, độ êm hay cảm giác không mùi xăng. Nhưng số phận kinh tế của nó lại nằm sâu trong một khối vật chất ít khi được nhìn thấy - Pin. Với taxi điện, xe buýt điện và những đội xe chạy suốt ngày đêm, pin không chỉ là linh kiện. Nó là vốn, là tuổi thọ, là niềm tin và cũng là bài kiểm tra khắc nghiệt nhất của cái gọi là “xanh”.
Cổng thông tin một cửa về trí tuệ nhân tạo chính thức vận hành

Cổng thông tin một cửa về trí tuệ nhân tạo chính thức vận hành

Ngày 28/8, Bộ Khoa học và Công nghệ chính thức công bố và đưa vào vận hành Cổng thông tin điện tử một cửa về trí tuệ nhân tạo tại địa chỉ ai.dda.gov.vn, tạo đầu mối trực tuyến thống nhất phục vụ quản lý nhà nước, minh bạch thông tin và thúc đẩy hệ sinh thái trí tuệ nhân tạo (AI) Việt Nam phát triển an toàn, có trách nhiệm.