Secondo i suoi inventori, un nuovo sensore quantistico può misurare l’energia immagazzinata nelle batterie dei veicoli elettrici in modo molto più accurato rispetto ai dispositivi esistenti Mutsuko Hatano al Tokyo Institute of Technology e i suoi colleghi in Giappone. Il loro sensore utilizza centri di azoto vacante (NV) nel diamante e potrebbe portare a miglioramenti sostanziali nell’autonomia e nell’efficienza energetica dei veicoli elettrici.
I veicoli elettrici (EV) sono ampiamente considerati un elemento cruciale dello sforzo globale per eliminare le emissioni di gas serra. Un limite alla loro efficienza è la capacità di un veicolo elettrico di stimare quanta energia rimane nelle batterie.
Oggi, l’energia rimanente viene stimata misurando la corrente elettrica che fluisce dalle batterie durante la guida del veicolo elettrico. Sebbene queste correnti possano raggiungere fino a centinaia di ampere, il loro valore medio è tipicamente di circa 10 A. Di conseguenza, i sensori di corrente devono funzionare su un ampio intervallo dinamico, che li rende altamente sensibili al rumore proveniente dall’ambiente circostante.
Margine di sicurezza
Questo rumore significa che l'energia rimanente di una batteria può essere stimata solo con una precisione di circa il 10%. Pertanto, per essere sicure, le batterie dei veicoli elettrici devono essere ricaricate quando scendono al 10% della loro capacità energetica. Ciò pone un limite significativo all’autonomia di un veicolo elettrico e significa che sono necessarie batterie più pesanti per raggiungere l’autonomia target.
Per migliorare questa precisione, il team di Hatano ha misurato la corrente utilizzando una coppia di sensori quantistici di diamante basati su centri NV. Un centro NV è un'impurità in cui due atomi di carbonio in un reticolo di diamante sono sostituiti da un singolo atomo di azoto e da uno spazio vuoto adiacente.
Un centro NV si comporta come un piccolo momento magnetico di spin molto sensibile ai campi magnetici esterni. Questi campi possono essere misurati in modo molto preciso sondando i centri NV utilizzando la luce e le microonde.
Misura differenziale
Nel loro studio, i ricercatori hanno posizionato una coppia di sensori a diamante su entrambi i lati di una barra collettrice per veicoli elettrici, che è una spessa striscia di metallo che collega la batteria di un veicolo elettrico ai suoi motori e ad altri componenti elettrici. Quando la corrente passa attraverso la sbarra collettrice, crea un campo magnetico che viene misurato da entrambi i sensori del diamante. Poiché i sensori sono posizionati su entrambi i lati della sbarra collettrice, un sensore misura un valore positivo per il campo magnetico e l'altro misura un valore negativo. Fondamentalmente, entrambi misurano gli stessi livelli di rumore, quindi sottraendo una misurazione dall’altra si elimina il rumore.
Il sensore diamantato ad alta risoluzione mappa le correnti elettriche nel cuore
Utilizzando questa tecnica differenziale, il team ha misurato correnti nella sbarra collettrice fino a 130 A e fino a 10 mA, anche in ambienti rumorosi. Il team ha quindi aumentato la corrente a ±1000 A e ha utilizzato il sensore nell'intervallo di temperature compreso tra -45°C e 85°C e ha osservato buone prestazioni di misurazione.
Il team afferma che i sensori potrebbero ridurre il peso delle batterie dei veicoli elettrici del 10%, il che ridurrebbe l’energia richiesta sia per far funzionare che per produrre i veicoli elettrici. Si stima che l’introduzione commerciale dei sensori potrebbe in definitiva ridurre l’anidride carbonica emessa dal settore dei trasporti di circa lo 0.2% entro il 2030, avvicinando potenzialmente l’obiettivo di zero emissioni nette di carbonio.
La ricerca è descritta in Rapporti scientifici.
