量子技術能否提升電池性能？答案是肯定的──由英國薩賽克斯大學(UniversityofSussex)研究人員領軍的一個項目，正利用以量子為基礎的傳感器來測量電池行為，期望所取得的數據能為電池技術帶來改善。

該研究專業獲得了英國伯明翰大學(UniversityofBirmingham)主持之感測與時序量子技術中心(UKQuantumTechnologyHubSensorsandTiming)的PartnershipResourceFunding資金挹注，團隊成員還包括來自斯特拉斯克萊德(Strathclyde)與愛丁堡(Edinburgh)兩所大學組成的聯盟。

這項項目著眼于對電池越來越高的能量密度、耐用性與安全性等關鍵需求，并將因此推動朝向更環保生態系統邁進的工業革命。薩賽克斯大學實驗物理學研究教授PeterKruger接受《EETimes》采訪時強調，電池會是量子傳感器的第一個大市場，因為電動車需要具備高容量的大型電池組；“這將意味著量子傳感器首次在商業市場上發揮顯著影響力?！?/p>

電池與量子技術

新一代電動車控制系統，包括再生煞車系統、怠速/熄火(start&stop)功能以及驅動輪胎的電動馬達，都需要精確的測量與電氣輸入控制，以優化性能并避免災難性的故障。電池傳感器是系統中的關鍵組件，負責測量電池的充放電水平以及健康狀態，目前市面上有一些技術可用來打造優良的車用電池監測傳感器。

在此同時，利用量子運算來仿真電池的化學結構，使得利用算法來根據不同參數標準──例如重量減輕、最大密度以及電池芯組裝──重現電池內部的化學成份成為可能，這將能加速電池組本身的工業化。

薩賽克斯大學項目的目標，是實現量子磁力計技術，以檢驗微觀電池電流是否準確地流動。透過這種方式，能對新電池與現有電池的化學成份進行快速評估，以加快打造更優質電池技術的速度，并促進車輛的電氣化。

磁力計是用以測量磁通量密度(magneticfluxdensity)的單一傳感器，量子磁力計是以次原子粒子(subatomicparticles)的自旋為基礎，每個粒子磁矩(particlemagneticmoment)與所施加磁場的耦合被量化，或限制于一組由量子力學定律決定的離散值。

Kruger指出，近年來有數起鋰電池故障的事件成為新聞頭條，像是SamsungGalaxyNote7智能型手機的電池爆炸意外。監測電流能在電池故障發生之前采取預防措施，而量子傳感器能提供一些智能功能，讓電池監測電池健康狀態并減少磨損最嚴重的電池芯負載。

“目前的電池監測解決方案主要聚焦于測量整個電池的電壓，”Kruger表示：“這能為電池內剩余的電量提供良好的指示，此外透過量測多次充/放電循環中的電壓，電量還是能在電池退化的情況下被監測?！?/p>

他補充指出：“雖然那些測量方法在監測電池健康狀態方面是有用的，但無法告訴我們太多電池內部的情形；研發中的量子系統能測量電池產生的磁場，用于推斷流經電池的電流。這種系統就像“磁場攝影機”，能窺探電池內部。”

研究團隊的目標是開發小巧、低功耗、可攜帶的裝置，不需要仰賴基礎設施、運作成本最小化，并因此適合經濟規模量產。此外也與CDO2、MagneticShields與QinetiQ等英國業者合作以實現目標。MagneticShields將提供無磁性噪聲(magneticnoise-free)的環境，進行前所未見的高敏感度傳感器技術測試。

Kruger指出，將會有大量的應用在電池的研發階段，讓制造商測試不同的化學配方與電池芯尺寸；傳感器能傳送診斷信息到電動車的車載計算機，并因為不再需要人工檢查而能增加車輛保養的頻率。電池農場(batteryfarms)正發展為一種再生能源儲存形式，透過采用量子電池傳感器技術，能實現智能充電系統并監測電池的健康狀態。

而目前最大的挑戰是不斷提升電池的容量。Kruger表示，從技術的角度來看，量子傳感器不只對電池的磁場敏感，對所有的鐵磁材料亦然；“我們大多數的工作是在于傳感器的設計，并研究該如何將傳感器與外部磁源隔絕?！?/p>

他補充指出，團隊得思考系統將如何過濾由車輛電動馬達產生的磁場，還有外面每一次有車輛經過時對傳感器帶來的快速磁場變化。此外需要建立具備所有相關零組件的完整供應鏈，“我們正在透過同時進行的產業策略募資來實現這個目標。”EET