金刚石又一次闪耀着光芒，解除新能源汽车“心病”

随着环保政策的不断加强和技术水平的不断提高，越来越多的人开始选择新能源汽车作为出行的代步工具。而金刚石作为具有独特物理化学特性的新型材料，也将为新能源汽车的发展提供新的机遇。

金刚石相较于其他常见半导体材料的特性优势

据《日本经济新闻》近期报道，日本东京工业大学科学家研发的钻石量子传感器可将新能源汽车的续航里程增加约10%。该技术可精确测量储存的电量，从而最大限度地提高车载电池的性能。

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。

在迅速发展的汽车领域，金刚石因杰出的特性，如高热导率、低热膨胀系数、高机械强度等，使其在多个方面都能为新能源汽车的性能和可靠性带来革命性的提升。

金刚石在新能源汽车中的应用

1、金刚石热沉片

功率半导体的设计主要由两个因素驱动：导热性（冷却它们的路径）和导电性（承载大电流的路径）。而在新能源汽车的电子系统中，电力转换和电池技术的效率直接影响到车辆的性能和续航里程，由于新能源汽车逐渐向高续航发展，动力电池散热量增加，那么高效的散热管理是至关重要的。

虽然电气路径已经研究多年，并取得了或多或少的成功，但热路径一直是主要挑战。金刚石因其极高的热导率和热稳定性而成为理想的热沉材料。其热导率可达2000W/m.k，是铜的5倍，是铝的10倍，这意味着金刚石热沉片的超高热导率可以实现高效散热，从而保护电池和其他关键部件免受高温的影响，从而提高车辆的性能和续航能力。

2023年11 月7日，Diamond Foundry Inc.（“DF”）宣布已开发出一款电动汽车逆变器，利用其金刚石晶圆技术实现更高效的电动汽车。这种新的小型化水平是通过由金刚石晶圆与成熟的碳化硅芯片组成的智能设计实现的。

来源：DF官网

2、理想的刀具材料——金刚石

在近年来的汽车制造中，大量应用轻型材料，金刚石刀具因其硬度、锋利度和耐久性而受到青睐。

金刚石刀具（PCD）由聚晶金刚石刀尖和硬质合金基体经高温高压烧结而成，既能发挥金刚石高硬度、高导热系数、低摩擦系数、低热膨胀系数、与金属和非金属亲和力小、弹性模量高、无解理面、各向同性等众多优势，又兼顾了硬质合金的高强度，不仅提高了汽车零部件的质量，还提高了加工效率，减少生产成本。目前新能源汽车中电机壳、轴类零件、电池盒、差速器等部件均需要金刚石工具加工。

PCD金刚石刀具

3、金刚石量子传感器

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。曲阜师范大学物理工程学院教授刘晓兵在接受科技日报记者采访时表示，金刚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。它们可以检测到磁场、温度和压力的变化。在新能源汽车中，金刚石量子传感器可以用于监测车辆的运行状态、监测车辆的安全隐患以及评估电池的性能等。

东京工业大学和汽车零件生产企业矢崎总业公司就是将目光投向钻石量子传感器。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。

4、金刚石涂层

金刚石涂层是一种硬度极高、耐磨性好、摩擦系数极低的涂层材料。它在汽车零部件上具有广泛的应用，如刹车片、离合器片和气门等。这些涂层可以提高部件的耐磨性、抗冲击性能和寿命，同时降低摩擦系数，从而减少能源消耗。金刚石涂层可以用于保护车辆的表面免受磨损和腐蚀，提高车辆的美观度和使用寿命。此外，金刚石涂层还可以用于制造轻量化的车身结构，提高车辆的能效和性能。

5、金刚石作为超宽带隙半导体

金刚石的超宽带隙、高热导率、高电子迁移率和高击穿场强等优点，在新能源汽车中，可以作为电力转换和储存系统的理想材料。通过将金刚石制成电力电子器件，如二极管和晶体管，我们可以实现更高效、更耐用的电力转换和储存系统。这不仅可以为新能源汽车提供稳定的电力供应，还可以提高充电速度，延长续航里程。此外，金刚石还可以用于制造光电器件和光电探测器等，提高车辆的智能化和安全性。

此外，OOKUMA计划以核电站废堆为契机量产金刚石半导体。围绕金刚石半导体，丰田和电装出资的企业、精密部件厂商Orbray（东京足立）、源自早稻田大学的初创企业、九州工业大学及佐贺大学也在推进研究。

6、电池电极材料

在新能源汽车的电池技术中，金刚石因其优异的导热性和机械特性，被用作电极材料。金刚石电极能够提高电池的充放电效率，延长电池的使用寿命。

电动汽车是Diamfab的优先领域，公司最近申请了用于电动汽车的全金刚石电容器的专利。当被问及细节时，Driche说全金刚石电容器的想法是在一家工业电容器制造商表示正在寻找一种无源元件解决方案来保护二极管和晶体管等基于SiC和GaN的有源元件时出现的，因为有源器件承受的电压峰值高于其承受能力（＞1500V）。

“金刚石的最大优势之一是它能够在高温下工作。因此，全金刚石电容器可以放置得更靠近其他组件--这对于传统电容器来说是不可能得，而且我们可以使用金刚石电容器减少寄生电感，”Driche说。在这里，金刚石被用作绝缘体和导体。

7、燃料电池催化剂

金刚石的化学稳定性高，能够在高温高压环境下保持稳定，因此在燃料电池中作为催化剂使用。它可以提高燃料的利用率，降低废气排放。

8、电机绝缘材料

金刚石具有优异的电绝缘型性能，它的导电性远低于一般常见的绝缘材料（如橡胶等）。金刚石的电绝缘性能取决于其杂志含量和结构缺陷。通常情况下，纯度高的金刚石具有更好的电绝缘性能，因为较少的杂质和结构缺陷降低了其导电性。金刚石的电绝缘性能使其在电子工业中得到了广泛应用，可被用作电机内部的绝缘材料，可以提高电极的效率和可靠性。

总的来说，金刚石材料在新能源汽车领域的多重应用将为其带来更高的性能、可靠性和可持续性。随着技术的不断发展，金刚石将继续在汽车行业中发挥关键作用，推动汽车科技的不断前进。