Sensor kuantum baru dapat mengukur energi yang tersimpan dalam baterai kendaraan listrik jauh lebih akurat daripada perangkat yang ada – menurut penemunya Mutsuko Hatano di Institut Teknologi Tokyo dan rekan-rekannya di Jepang. Sensor mereka menggunakan pusat nitrogen-vacancy (NV) di berlian dan dapat mengarah pada peningkatan substansial pada jangkauan dan efisiensi energi kendaraan listrik.
Kendaraan listrik (EV) secara luas dipandang sebagai elemen penting dari upaya global untuk menghilangkan emisi gas rumah kaca. Salah satu batasan efisiensinya adalah kemampuan EV untuk memperkirakan berapa banyak energi yang tersisa dari baterainya.
Saat ini, energi yang tersisa diperkirakan dengan mengukur arus listrik yang mengalir dari baterai saat EV digerakkan. Meskipun arus ini dapat mencapai hingga ratusan ampere, nilai rata-ratanya biasanya hanya sekitar 10 A. Akibatnya, sensor arus harus beroperasi pada rentang dinamis yang besar, yang membuatnya sangat rentan terhadap kebisingan dari lingkungan sekitarnya.
Margin keamanan
Kebisingan ini berarti bahwa sisa energi baterai hanya dapat diperkirakan dalam akurasi sekitar 10%. Oleh karena itu, agar aman, baterai EV harus diisi ulang setelah dayanya turun hingga 10% dari kapasitas energinya. Ini menempatkan batas yang signifikan pada jangkauan mengemudi EV dan berarti bahwa baterai yang lebih berat diperlukan untuk mencapai jangkauan target.
Untuk meningkatkan akurasi ini, tim Hatano mengukur arus menggunakan sepasang sensor kuantum berlian berdasarkan pusat NV. Pusat NV adalah pengotor di mana dua atom karbon dalam kisi berlian digantikan oleh atom nitrogen tunggal dan ruang kosong yang berdekatan.
Pusat NV berperilaku sebagai momen magnetik spin kecil yang sangat sensitif terhadap medan magnet eksternal. Medan ini dapat diukur dengan sangat tepat dengan menyelidiki pusat NV menggunakan cahaya dan gelombang mikro.
Pengukuran diferensial
Dalam studi mereka, para peneliti menempatkan sepasang sensor berlian di kedua sisi busbar EV, yang merupakan strip logam tebal yang menghubungkan baterai EV ke motor dan komponen listrik lainnya. Saat arus melewati busbar, itu menciptakan medan magnet yang diukur oleh kedua sensor berlian. Karena sensor terletak di kedua sisi busbar, satu sensor mengukur nilai positif untuk medan magnet dan sensor lainnya mengukur nilai negatif. Yang terpenting, keduanya mengukur tingkat kebisingan yang sama – jadi mengurangkan satu pengukuran dari yang lain menghilangkan kebisingan.
Sensor berlian resolusi tinggi memetakan arus listrik di jantung
Dengan menggunakan teknik diferensial ini, tim mengukur arus di busbar setinggi 130 A, dan serendah 10 mA – bahkan di lingkungan yang bising. Tim kemudian menaikkan arus hingga ±1000 A dan mengoperasikan sensor pada kisaran suhu -45°C–85°C dan mengamati kinerja pengukuran yang baik.
Tim mengatakan bahwa sensor dapat mengurangi berat baterai EV sebesar 10%, yang akan menurunkan energi yang dibutuhkan untuk menjalankan dan menghasilkan EV. Mereka memperkirakan bahwa peluncuran komersial sensor pada akhirnya dapat mengurangi karbon dioksida yang dipancarkan oleh industri transportasi sekitar 0.2% pada tahun 2030 – berpotensi membawa tujuan emisi karbon nol bersih selangkah lebih dekat.
Penelitian tersebut dijelaskan dalam Laporan Ilmiah.
