Los ingenieros muestran el potencial industrial de los sensores cuánticos de diamantes para el monitoreo de la batería EV

Los vehículos eléctricos (EV) están liderando la transición al transporte sostenible. Sin embargo, la gestión efectiva de la batería sigue siendo un desafío significativo, ya que las técnicas de monitoreo tradicional a menudo carecen de precisión adecuada y resistencia al ruido.

Los sensores cuánticos de diamantes proporcionan una solución de vanguardia mediante el uso de centros de vacancia de nitrógeno (NV), que son los elementos clave dentro de los sensores de diamantes que les permiten detectar incluso los cambios más pequeños en los campos magnéticos, lo que los hace ideales para monitorear con precisión los sistemas de baterías. Si bien estos avances son prometedores, la adopción industrial a gran escala sigue siendo un desafío, lo que requiere una mayor optimización e integración en procesos de fabricación.

Los sensores cuánticos de diamantes están emergiendo como herramientas versátiles de alta sensibilidad para medir campos magnéticos y eléctricos, temperatura y presión. Además, estos sensores ofrecen biocompatibilidad, haciéndolos adecuados para diversas aplicaciones más allá de los sistemas de energía. Sin embargo, el uso de cristales de diamante para sensores cuánticos a menudo está limitado por el tamaño pequeño de los sustratos disponibles, típicamente unos pocos milímetros de diámetro, debido a las limitaciones de fabricación.

En un estudio reciente, un equipo de investigadores dirigido por el profesor Mutsuko Hatano y el profesor Takayuki Iwasaki del Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica, Escuela de Ingeniería, Instituto de Ciencias Tokio (Ciencias Tokio), Japón, utilizó la tecnología de crecimiento heteroepitaxial para abordar las limitaciones de tamaño en los sustratos de diamantes. Han desarrollado una plataforma para diamantes heteroepitaxiales (111) sensores cuánticoscon centros NV alineados preferentemente en sustratos grandes.

Este avance podría allanar el camino para su uso en el monitoreo de las baterías EV. Los sustratos de cristal de diamantes se fabricaron en colaboración con Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. y el Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología Industrial Avanzada (AIST). Esta técnica permite el crecimiento de diamantes en sustratos no diamantes y mejora la calidad del material y el rendimiento del sensor. Sus hallazgos fueron publicados en Tecnologías cuánticas avanzadas el 18 de enero de 2025.

El equipo creció con éxito una película de diamante de depósito de vapor químico heteroepitaxial (CVD) con una orientación (111) y un espesor de 150 μm en un no diamante sustratoque luego se separó para garantizar una alta uniformidad y cristalinidad, ofreciendo una productividad industrial superior.

Luego se depositó una capa de diamante NV de 150 μm de grosor en el diamante heteroepitaxial, logrando un valor de T₂ (tiempo de coherencia de giro) de 20 μs, correspondiente a una concentración de defecto de nitrógeno sustitucional de 8 ppm. El mecanismo de corrección de inclinación se introdujo en la cabeza del sensor para compensar el ángulo mésito (desviación en la orientación al cristal) inherente a los sustratos de CVD, lo que permite el rendimiento del sensor casi equivalente al de los sustratos convencionales.

Uso de onda continua detectada ópticamente espectroscopía de resonancia magnética En una configuración del sensor de top de fibra, el equipo estimó que la concentración de NV y T₂* (tiempo de decoherencia) son 0.05 ppm y 0.05 μs, respectivamente. La configuración del gradiómetro del sensor, con dos sensores colocados a ambos lados de la barra colectiva, demostró un piso de ruido de menos de 20 nt/Hz^0.5 sin blindaje magnético. Además, la desviación Allan del ruido del campo magnético se mantuvo por debajo de 0.3 μt, lo que permitió la detección de corrientes de la barra colectora tan baja como 10 mA durante un tiempo de acumulación de 10 ms a 100 s.

“La capacidad de medir las corrientes con precisión mientras minimiza la interferencia hace que este sensor sea un candidato prometedor para monitorear los sistemas de baterías en vehículos eléctricos, donde la precisión y la confiabilidad son primordiales”, dice Hatano.

Para mejorar la detección en entornos automotrices ruidosos, el equipo planea aumentar la densidad del centro de NV utilizando la irradiación del haz de electrones, mejorando la sensibilidad. También aumentarán la eficiencia de recolección de fluorescencia y extenderán el tiempo de coherencia con protocolos cuánticos avanzados para una detección de corriente más precisa y duradera.

Este estudio demuestra el potencial de fabricación industrial de sustratos de diamantes de grado cuántico y sus aplicaciones en tecnologías cuánticas, incluida la monitorización de la batería de vehículos eléctricos, el diagnóstico médico y los dispositivos de energía. “Este éxito contribuye a la aceleración de las tecnologías cuánticas, particularmente en sectores relacionados con objetivos de desarrollo sostenibles y bienestar”, concluye Hatano.