近日，日本研究人员在电动车续航里程延长方面取得了突破性进展。他们通过开发一种量子传感器，成功提高了电动汽车电池电量的测量精度，从而延长了约10%的续航里程。这一创新技术预计将在2030年投入实际应用，为全球电动车市场带来新的发展机遇。

这一创新成果得益于日本东京工业大学和汽车零件生产商矢崎总业株式会社的紧密合作。为了提高测量电流的精度，研究人员开发了一种灵敏度较高的钻石量子传感器。与传统传感器以1安培为单位测量电流相比，这种新开发的传感器以10毫安为单位进行测量，精度提高了100倍。

随着人们对环境保护和气候变化关注的增加，越来越多的人开始选择电动汽车作为出行的代步工具。然而，里程焦虑仍然是车主们的一块“心病”。此次，量子技术领域的突破为解决电动汽车的续航问题带来了更多的可能性。

电动汽车电池测量有误差

通常情况下，电动汽车电池的电流可达数百安培，但由于难以准确测量充电量，电池的设置容量比实际可储存电量要少10%左右。

曲阜师范大学物理工程学院教授刘晓兵在接受、采访时表示，电动汽车电池电量难以测量的原因有多方面。

例如，电池电压和电流的微小变化都会明显影响电量的检测，尤其对于磷酸铁锂LiFePO4电池，其放电曲线平缓，电芯电压测量精度难以精确控制，传感器的任何小幅度误差都可能导致较大的电量测量误差。

其次，电池包通常由几十个电池芯组成，整体性能由最弱的电芯决定。精确评估电池电量需要对每一个电芯实时监控，这对空间布置以及成本控制都提出了巨大挑战。

此外，电动汽车在运行过程中，由于电池处于持续变化的充放电状态，这就要求传感器能够实时准确地监测这些变化。然而，快速的充放电循环和动态的负载变化可能超出传感器的快速响应能力。

“因此，如果有能以较高的精度测量充电量的传感器，将能充分发挥车载电池的性能。”刘晓兵说。

量子钻石，第二次量子革命中的一颗璀璨的明珠

钻石在自然界里又是最坚硬的物质。由于它的坚硬，钻石在工业上一直都有应用，在切割和打磨必不可少金刚石和金刚砂，它们都是钻石的一种。

随着第二次量子革命的到来，人们又开始发现了钻石在现代科学技术上有着越来越多的应用。使钻石正成为第二次量子革命里的一颗璀璨的明珠。

大家都知道，钻石是由碳原子形成的晶体。当晶格上二个碳原子被一个氮原子（图中紫色球）和一个碳原子缺失（图中灰色球）所替代时 （碳原子缺失也称为空穴），就形成了一种有瑕疵的钻石。这种有瑕疵的钻石就是在量子技术里大名鼎鼎的量子钻石, 学名，NV色心 （Nitrogen Vacancy Color Center）。

量子钻石之所以有名，是因为它在量子计算，量子通讯，量子传感器都有着广泛的应用。同时也被用来测试量子力学里的量子纠缠（quantum entanglement）。

钻石在量子传感领域备受青睐

长期以来，钻石凭借其相干氮-空位（NV）中心、可调节自旋、磁场敏感性以及在室温下工作的能力，一直在量子传感领域备受青睐。刘晓兵介绍说，钻石本身具有极高的化学稳定性和物理耐用性，是世界上硬度最高导热性最好的材料，这也使得钻石量子传感器非常适合于恶劣环境长期应用。

东京工业大学和汽车零件生产企业矢崎总业公司就将目光投向了钻石量子传感器。他们在钻石的部分结晶中设计特殊结构，使其具有在绿色激光照射下发出红色荧光的性质。根据内部电子的量子状态，荧光的强度会发生变化。受周围电流、磁力、温度的影响，电子的量子状态也会发生变化，因此根据荧光强度就可计算出磁力。

据报道，该传感器可安装在被称为“母线”的金属部件上。“母线”是蓄电池输送电力的通道。传统传感器以1安培为单位测量电流大小，而新开发的传感器以10毫安为单位，精度提高100倍。因此，可让充电量接近电池实际可储存电量，而不用预留10%的空间，电池的续航里程从而得以延长。

刘晓兵进一步解释了钻石量子传感器的科学原理。他表示，NV中心是钻石晶格中的一个碳原子被氮原子替代，并伴随一个相邻位置的空位形成的复合缺陷，具有可操控和读出的电子自旋态。通过光学激发，可读出其自旋态，进而得知外部环境信息。NV中心对外部环境极为敏感，具有纳米级的空间分辨率，在检测环境微弱电场与磁场变化方面具有显著优势，这使得钻石量子传感器在测量充电量方面具有巨大潜力。

各国争抢量子钻石高地

相较于已投入应用的超导量子干涉仪，钻石量子传感器具有更高的检测灵敏度与空间分辨率，而且具备操作简单、环境适应性强、应用范围更广等多种优势。

目前，钻石量子传感器也成了国际量子竞争前沿领域之一。美国、英国、欧盟等西方国家均将NV中心量子调控与量子传感器应用作为重点支持方向。

矢崎总业公司的目标是，最早于2030年实现钻石量子传感器实用化，面向汽车制造商和零部件制造商供货。虽然现在周边设备较大，但通过使用小型半导体激光等，可将量子传感器大小缩小到10立方厘米大小，成本也与以往的电流传感器相当。

矢崎总业株式会社是一家拥有丰富汽车零件生产经验的日本企业，长期致力于为全球汽车行业提供高品质的零部件。此次与东京工业大学的合作，再次证明了矢崎总业株式会社在推动汽车技术进步方面的决心和实力。随着量子传感器技术的不断发展和完善，矢崎总业株式会社有望在全球电动车市场中占据重要地位。

不过，东京工业大学教授波多野睦子表示，最大的成本因素是钻石。用于制造量子传感器的钻石是人工合成的，这与从矿山开采、用于珠宝首饰的天然钻石不同。使用廉科技日报价线路板，采用从沼气中提炼钻石的量产方法，可大幅降低制造成本。

根据中国汽车工业协会发布的数据，2022年中国新能源汽车产销分别达到705.8万辆和689.9万辆，同比分别增长96.9%和93.6%。中国政府制定的“双碳”目标将推动未来10至15年中国新能源汽车产业的持续发展。因此，量子传感器技术的研发和应用具有广阔的市场前景和巨大的商业价值。

综上所述，日本研究人员利用量子技术延长电动车续航里程是一项具有重大意义的创新。通过提高电池电量的测量精度，这一技术将有助于降低电动车的能耗并提高续航里程，为全球电动车市场带来新的发展机遇。矢崎总业株式会社作为一家具有丰富经验的汽车零件生产商，将继续致力于推动汽车技术的进步，为全球电动车市场的繁荣做出贡献。

刘晓兵称，我国作为电动汽车生产与消费的大国，量子级钻石仍严重依赖国外进口，这也成为新能源汽车领域发展所面临的一个重要问题。目前，他带领的团队与其他高校、科研机构合作，成功制备出人造量子钻石，我国山东超晶新材料公司已经实现了厘米级量子钻石的规模化生产。

刘晓兵认为，虽然钻石量子传感器目前面临成本挑战，但考虑到其独特性能和潜在应用，以及后期技术进步带来的成本降低，未来市场前景非常值得期待。

文章来源： 陈博士谈天说地，科技日报，润媒商业