量子技术能否提升电池性能？答案是肯定的──由英国萨赛克斯大学(UniversityofSussex)研究人员领军的一个项目，正利用以量子为基础的传感器来测量电池行为，期望所取得的数据能为电池技术带来改善。

该研究专业获得了英国伯明翰大学(UniversityofBirmingham)主持之感测与时序量子技术中心(UKQuantumTechnologyHubSensorsandTiming)的PartnershipResourceFunding资金挹注，团队成员还包括来自斯特拉斯克莱德(Strathclyde)与爱丁堡(Edinburgh)两所大学组成的联盟。

这项项目着眼于对电池越来越高的能量密度、耐用性与安全性等关键需求，并将因此推动朝向更环保生态系统迈进的工业革命。萨赛克斯大学实验物理学研究教授PeterKruger接受《EETimes》采访时强调，电池会是量子传感器的第一个大市场，因为电动车需要具备高容量的大型电池组；“这将意味着量子传感器首次在商业市场上发挥显著影响力。”

电池与量子技术

新一代电动车控制系统，包括再生煞车系统、怠速/熄火(start&stop)功能以及驱动轮胎的电动马达，都需要精确的测量与电气输入控制，以优化性能并避免灾难性的故障。电池传感器是系统中的关键组件，负责测量电池的充放电水平以及健康状态，目前市面上有一些技术可用来打造优良的车用电池监测传感器。

在此同时，利用量子运算来仿真电池的化学结构，使得利用算法来根据不同参数标准──例如重量减轻、最大密度以及电池芯组装──重现电池内部的化学成份成为可能，这将能加速电池组本身的工业化。

萨赛克斯大学项目的目标，是实现量子磁力计技术，以检验微观电池电流是否准确地流动。透过这种方式，能对新电池与现有电池的化学成份进行快速评估，以加快打造更优质电池技术的速度，并促进车辆的电气化。

磁力计是用以测量磁通量密度(magneticfluxdensity)的单一传感器，量子磁力计是以次原子粒子(subatomicparticles)的自旋为基础，每个粒子磁矩(particlemagneticmoment)与所施加磁场的耦合被量化，或限制于一组由量子力学定律决定的离散值。

Kruger指出，近年来有数起锂电池故障的事件成为新闻头条，像是SamsungGalaxyNote7智能型手机的电池爆炸意外。监测电流能在电池故障发生之前采取预防措施，而量子传感器能提供一些智能功能，让电池监测电池健康状态并减少磨损最严重的电池芯负载。

“目前的电池监测解决方案主要聚焦于测量整个电池的电压，”Kruger表示：“这能为电池内剩余的电量提供良好的指示，此外透过量测多次充/放电循环中的电压，电量还是能在电池退化的情况下被监测。”

他补充指出：“虽然那些测量方法在监测电池健康状态方面是有用的，但无法告诉我们太多电池内部的情形；研发中的量子系统能测量电池产生的磁场，用于推断流经电池的电流。这种系统就像“磁场摄影机”，能窥探电池内部。”

研究团队的目标是开发小巧、低功耗、可携带的装置，不需要仰赖基础设施、运作成本最小化，并因此适合经济规模量产。此外也与CDO2、MagneticShields与QinetiQ等英国业者合作以实现目标。MagneticShields将提供无磁性噪声(magneticnoise-free)的环境，进行前所未见的高敏感度传感器技术测试。

Kruger指出，将会有大量的应用在电池的研发阶段，让制造商测试不同的化学配方与电池芯尺寸；传感器能传送诊断信息到电动车的车载计算机，并因为不再需要人工检查而能增加车辆保养的频率。电池农场(batteryfarms)正发展为一种再生能源储存形式，透过采用量子电池传感器技术，能实现智能充电系统并监测电池的健康状态。

而目前最大的挑战是不断提升电池的容量。Kruger表示，从技术的角度来看，量子传感器不只对电池的磁场敏感，对所有的铁磁材料亦然；“我们大多数的工作是在于传感器的设计，并研究该如何将传感器与外部磁源隔绝。”

他补充指出，团队得思考系统将如何过滤由车辆电动马达产生的磁场，还有外面每一次有车辆经过时对传感器带来的快速磁场变化。此外需要建立具备所有相关零组件的完整供应链，“我们正在透过同时进行的产业策略募资来实现这个目标。”EET