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
Việt - Trung xây dựng Phòng thí nghiệm Liên hợp ứng dụng trí tuệ nhân tạo

Việt - Trung xây dựng Phòng thí nghiệm Liên hợp ứng dụng trí tuệ nhân tạo

Phòng thí nghiệm Liên hợp ứng dụng trí tuệ nhân tạo Việt - Trung được kỳ vọng trở thành đầu mối kết nối nghiên cứu, phát triển công nghệ AI với các kịch bản ứng dụng thực tế tại Việt Nam và thị trường ASEAN.
[E-Magazine] Cuộc chiến giành quyền kiểm soát nền văn minh hậu-carbon

[E-Magazine] Cuộc chiến giành quyền kiểm soát nền văn minh hậu-carbon

Phía sau những chiếc xe điện, những trạm sạc và khẩu hiệu “năng lượng xanh” đang là một cuộc tái phân phối quyền lực quy mô hành tinh. Thế giới tưởng rằng mình đang chứng kiến sự chuyển đổi của ngành giao thông. Nhưng sâu hơn, đây là cuộc tranh đoạt quyền sở hữu đối với nền văn minh hậu-carbon, nơi pin điện, vật liệu hiếm và bằng sáng chế công nghệ đang dần thay thế vai trò lịch sử của dầu mỏ trong thế kỷ XX.
Đi xa 1.000 km sau một lần sạc: Geely chốt lịch ra mắt pin thể rắn

Đi xa 1.000 km sau một lần sạc: Geely chốt lịch ra mắt pin thể rắn

Geely bứt phá với công nghệ pin thể rắn 500 Wh/kg, nâng tầm hoạt động xe điện lên 1.000 km, sẵn sàng thương mại hóa toàn diện từ năm 2027.
Nhận định phiên giao dịch ngày 21/9: Hạn chế mua tăng thêm khi thị trường khởi sắc

Nhận định phiên giao dịch ngày 21/9: Hạn chế mua tăng thêm khi thị trường khởi sắc

Sau phiên giảm điểm cuối tuần trước, thị trường chứng khoán được dự báo vẫn duy trì xu hướng phục hồi, song nhà đầu tư nên thận trọng và hạn chế mua tăng thêm tỷ trọng khi thị trường khởi sắc.
Tử vi vòng quay công nghệ ngày 21/9/2026: Tuổi Hợi tài lộc khởi sắc, tuổi Tỵ nên tránh nóng vội

Tử vi vòng quay công nghệ ngày 21/9/2026: Tuổi Hợi tài lộc khởi sắc, tuổi Tỵ nên tránh nóng vội

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 21/9/2026 cho tất cả các tuổi nhằm dự đoán vận hạn về công danh, tiền bạc, tình duyên và sức khỏe.
Contech Vietnam 2026 khai mở không gian giao thương cho ngành xây dựng, mỏ và giao thông

Contech Vietnam 2026 khai mở không gian giao thương cho ngành xây dựng, mỏ và giao thông

Không chỉ là nơi trưng bày máy móc và công nghệ, Contech Vietnam 2026 hướng tới trở thành cầu nối giữa doanh nghiệp Việt Nam với các đối tác quốc tế trong lĩnh vực xây dựng, khai thác mỏ và giao thông, trong bối cảnh nhu cầu về công nghệ mới và thiết bị hiện đại ngày càng tăng.
Nghiên cứu khả năng của công nghệ 7D

Nghiên cứu khả năng của công nghệ 7D

Bài báo xem xét các cách tiếp cận mới về mô hình hóa đa chiều và công nghệ 7D trong các công trình nghiên cứu của các Nhà Khoa học Liên bang Nga. Các khái niệm về bản sao kỹ thuật số; mô hình hóa thông tin; và phân tích dữ liệu đa chiều, được phân tích trong bài báo. Dự trên việc xem xét các cách tiếp cận hiện có, một mô hình tích hợp về công nghệ 7D được các tác giả đề xuất với sự thống nhất các khía cạnh: kỹ thuật; quản lý; và dự đoán kinh tế, của mô hình đa chiều.
Xét tuyển đại học: Dự kiến bỏ điểm cộng IELTS và giải học sinh giỏi

Xét tuyển đại học: Dự kiến bỏ điểm cộng IELTS và giải học sinh giỏi

Từ năm 2027, thí sinh dự kiến không còn được cộng điểm khi xét tuyển đại học nhờ chứng chỉ IELTS, chứng chỉ quốc tế hoặc thành tích học sinh giỏi.
Tin tức ngân hàng nổi bật tuần qua: SACOMBANK kiện toàn nhân sự lãnh đạo cấp cao

Tin tức ngân hàng nổi bật tuần qua: SACOMBANK kiện toàn nhân sự lãnh đạo cấp cao

Tuần qua đã có nhiều ngân hàng đã có những động thái quan trọng nhằm mở rộng dịch vụ và thu hút khách hàng với hàng loạt diễn biến đáng chú ý liên quan đến hoạt động kinh doanh: VPBank nộp hơn 31.000 tỷ đồng vào ngân sách; VPBank tăng mạnh lãi suất huy động; SACOMBANK kiện toàn nhân sự lãnh đạo cấp cao...
Kỳ 8: Đô thị xanh không chỉ có xe điện

Kỳ 8: Đô thị xanh không chỉ có xe điện

Một thành phố không trở nên xanh chỉ vì có nhiều xe điện hơn. Nếu mọi người vẫn đi một mình trên những phương tiện riêng, vẫn tắc nghẽn ở ngã tư, vẫn chiếm dụng vỉa hè, vẫn thiếu vận tải công cộng đủ tốt, thì động cơ sạch hơn chỉ giải quyết được một phần. Đô thị xanh cần một văn hóa di chuyển mới, nơi xe buýt điện, taxi điện, metro, đi bộ và dữ liệu cùng tổ chức lại nhịp sống.