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
trien-lam-quoc-te
Tin bài khác
Thuế đối ứng của Mỹ: Thách thức mới cho xuất khẩu Việt Nam và thị trường chứng khoán

Thuế đối ứng của Mỹ: Thách thức mới cho xuất khẩu Việt Nam và thị trường chứng khoán

Chính sách thuế nhập khẩu đối ứng (reciprocal tariffs) của Tổng thống Mỹ Donald Trump vừa có hiệu lực vào ngày 9/4 đang tạo ra những chấn động đối với thương mại toàn cầu. Theo báo cáo mới nhất từ Trung tâm Phân tích của Công ty Cổ phần Chứng khoán Dầu khí (PSI), Việt Nam với mức thặng dư thương mại song phương với Mỹ đạt kỷ lục 123,5 tỷ USD trong năm 2024 - là một trong những mục tiêu được Mỹ xác định có mức thâm hụt thương mại lớn và chính sách thuế không công bằng đối với hàng hóa của nước này.
FortiAI bổ sung tính năng nâng mức tự động hóa chống lại các mối đe dọa mới nổi

FortiAI bổ sung tính năng nâng mức tự động hóa chống lại các mối đe dọa mới nổi

Fortinet vừa công bố những cải tiến quan trọng của FortiAI được tích hợp trên nền tảng Fortinet Security Fabric, giúp tăng cường khả năng bảo vệ chống lại các mối đe dọa mới nổi, đơn giản hóa và tự động hóa các hoạt động bảo mật và mạng, đồng thời giúp tổ chức giữ an toàn khi nhân viên của họ sử dụng các dịch vụ được hỗ trợ bởi AI.
Xu hướng nổi bật của công nghệ thực tế tăng cường trong sản xuất

Xu hướng nổi bật của công nghệ thực tế tăng cường trong sản xuất

Công nghệ thực tế tăng cường (AR) không chỉ là một công nghệ tương lai để giám sát sản xuất mà nó đã trở thành một công cụ mạnh mẽ định hình lại ngành sản xuất. Từ nâng cao năng suất của người lao động đến tăng cường hiệu quả hoạt động, các giải pháp AR đang chứng minh giá trị của chúng trong môi trường sản xuất. Nhưng tương lai của AR trong sản xuất năm 2025 sẽ ra sao?
Nhận định phiên giao dịch ngày 11/4: Thận trọng sau phiên bùng nổ lịch sử

Nhận định phiên giao dịch ngày 11/4: Thận trọng sau phiên bùng nổ lịch sử

Sau phiên bùng nổ lịch sử ngày 10/4, thị trường đang bước vào giai đoạn nhạy cảm, nơi nhà đầu tư cần thận trọng trước nguy cơ điều chỉnh kỹ thuật và áp lực chốt lời trong ngắn hạn.
Hoa Kỳ tạm dừng áp thuế đối ứng với hơn 75 quốc gia trong 90 ngày

Hoa Kỳ tạm dừng áp thuế đối ứng với hơn 75 quốc gia trong 90 ngày

Tổng thống Hoa Kỳ Donald Trump thông báo tạm dừng áp thuế đối ứng trong 90 ngày với hơn 75 quốc gia đối tác thương mại không trả đũa; riêng đối với Trung Quốc, thuế sẽ tăng lên tổng cộng 125%.
Việt Nam dự hội nghị đặc biệt của ASEAN bàn về chính sách thuế quan của Hoa Kỳ

Việt Nam dự hội nghị đặc biệt của ASEAN bàn về chính sách thuế quan của Hoa Kỳ

Về phía Việt Nam, Bộ trưởng Bộ Công Thương Nguyễn Hồng Diên chia sẻ quan điểm của Việt Nam đối với chính sách thuế quan đối ứng của Hoa Kỳ.
Thị trường chứng khoán ngày 10/4: Pha đảo chiều lịch sử, VN Index bùng nổ hơn 74 điểm

Thị trường chứng khoán ngày 10/4: Pha đảo chiều lịch sử, VN Index bùng nổ hơn 74 điểm

Phiên giao dịch ngày 10/4 đã ghi dấu một cột mốc chưa từng có trong lịch sử thị trường chứng khoán Việt Nam khi chỉ số VN Index bật tăng mạnh mẽ 74,04 điểm, tương ứng +6,77%, đóng cửa ở mức 1.168,34 điểm. Đây là phiên tăng mạnh nhất từ trước đến nay, chấm dứt chuỗi 4 phiên giảm sâu liên tiếp trước đó.
Innovation Day Hải Phòng 2025: Giới thiệu giải pháp phát triển bền vững trong sản xuất công nghiệp

Innovation Day Hải Phòng 2025: Giới thiệu giải pháp phát triển bền vững trong sản xuất công nghiệp

Schneider Electric - Tập đoàn dẫn đầu về chuyển đổi số quản lý năng lượng và tự động hóa công nghiệp chính thức khởi động chuỗi sự kiện thường niên. Hội nghị "Tăng trưởng quy mô sản xuất bền vững thông qua Số hóa và AI", diễn ra ngày 10/4 tại Hải Phòng là sự kiện mở đầu trong chuỗi.
Tử vi vòng quay công nghệ ngày 11/4/2025: Tuổi Thìn gặp rắc rối, tuổi Mùi rất suôn sẻ

Tử vi vòng quay công nghệ ngày 11/4/2025: Tuổi Thìn gặp rắc rối, tuổi Mùi rất suôn sẻ

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 11/4/2025 cho tất cả các tuổi nhằm dự đoán vận hạn về công danh, tiền bạc, tình duyên, sức khỏe...
[E-Magazine] Khoa học công nghệ – động lực nội sinh của Hòa Phát

[E-Magazine] Khoa học công nghệ – động lực nội sinh của Hòa Phát

Tập đoàn Hòa Phát, nhà sản xuất thép hàng đầu Việt Nam, đã mở rộng thị trường xuất khẩu tới gần 40 quốc gia và vùng lãnh thổ trên toàn thế giới. Các sản phẩm thép của Hòa Phát không chỉ đáp ứng nhu cầu trong nước mà còn được ưa chuộng tại nhiều thị trường quốc tế, bao gồm cả các nước phát triển như Mỹ và các quốc gia thuộc Liên minh châu Âu (EU).
siement
Quảng cáo
moxa