Um novo sensor quântico pode medir a energia armazenada em baterias de veículos elétricos com muito mais precisão do que os dispositivos existentes – de acordo com seus inventores Mutsuko Hatano no Instituto de Tecnologia de Tóquio e seus colegas no Japão. Seu sensor usa centros de vacância de nitrogênio (NV) em diamante e pode levar a melhorias substanciais no alcance e na eficiência energética dos veículos elétricos.
Os veículos elétricos (VEs) são amplamente vistos como um elemento crucial do esforço global para eliminar as emissões de gases de efeito estufa. Um limite em sua eficiência é a capacidade de um EV de estimar quanta energia resta de suas baterias.
Hoje, a energia restante é estimada medindo a corrente elétrica que flui das baterias enquanto o EV está sendo acionado. Embora essas correntes possam chegar a centenas de amperes, seu valor médio é tipicamente em torno de 10 A. Como resultado, os sensores de corrente devem operar em uma ampla faixa dinâmica, o que os torna altamente suscetíveis a ruídos do ambiente ao redor.
Margem de segurança
Este ruído significa que a energia restante de uma bateria só pode ser estimada com uma precisão de cerca de 10%. Portanto, para ser seguro, as baterias EV devem ser recarregadas assim que atingirem 10% de sua capacidade de energia. Isso coloca um limite significativo na autonomia de um EV e significa que baterias mais pesadas são necessárias para atingir uma faixa alvo.
Para melhorar essa precisão, a equipe de Hatano mediu a corrente usando um par de sensores quânticos de diamante baseados em centros NV. Um centro NV é uma impureza na qual dois átomos de carbono em uma rede de diamante são substituídos por um único átomo de nitrogênio e um espaço vazio adjacente.
Um centro NV se comporta como um pequeno momento magnético de spin que é muito sensível a campos magnéticos externos. Esses campos podem ser medidos com muita precisão sondando os centros NV usando luz e micro-ondas.
Medição diferencial
Em seu estudo, os pesquisadores colocaram um par de sensores de diamante em cada lado de um barramento EV, que é uma tira grossa de metal que conecta a bateria de um EV aos seus motores e outros componentes elétricos. À medida que uma corrente passa pelo barramento, cria um campo magnético que é medido por ambos os sensores de diamante. Como os sensores estão localizados em ambos os lados do barramento, um sensor mede um valor positivo para o campo magnético e o outro mede um valor negativo. Fundamentalmente, ambos medem os mesmos níveis de ruído – portanto, subtrair uma medição da outra elimina o ruído.
O sensor de diamante de alta resolução mapeia as correntes elétricas no coração
Usando essa técnica diferencial, a equipe mediu correntes no barramento tão altas quanto 130 A e tão baixas quanto 10 mA – mesmo em ambientes ruidosos. A equipe então aumentou a corrente para ± 1000 A e operou o sensor na faixa de temperatura de -45°C a 85°C e observou um bom desempenho de medição.
A equipe diz que os sensores podem reduzir o peso das baterias de veículos elétricos em 10%, o que reduziria a energia necessária para operar e produzir veículos elétricos. Eles estimam que o lançamento comercial dos sensores poderia reduzir o dióxido de carbono emitido pela indústria de transporte em cerca de 0.2% até 2030 – potencialmente aproximando a meta de emissões líquidas de carbono zero.
A pesquisa é descrita em Relatórios Científicos.
