3.1 磁電能量轉換模型

磁電能量轉換系統鋰電池（壓電/壓磁結構、電致伸縮結構、磁致伸縮結構以及鐵電/鐵磁復合結構等）同時具有智能充電和電能優化轉換等優越性能，在車輛、宇航及能量轉換等領域中都起到了重要作用。例如，在電動車輛領域，已出現整體鋰電池結構車輛。鋰電池技術發展迅猛，得到了全世界的廣泛關注，各種鋰電池研究現狀與發展動態如圖3-1所示。最初由于結構具有能降低能源系統內部應力集中并提高電池材料熱穩定性等特點，將結構設計思想引入到電動車輛鋰電池系統中，后續研究逐步發現其具有磁、電、溫度等多場耦合特性和可設計的磁電性質，形成了高能量轉換磁電效應結構鋰電池，并因其具有磁電與溫度耦合效應，能延長電池使用壽命、穩定充放電等優點，成為非常誘人的研究熱點之一。磁電能量轉換系統鋰電池，在高密度能量轉換電池、超級電容器、均衡電池組及無線能量轉換等領域具有廣泛的應用前景和重要價值，引起了人們強烈的研究興趣。

圖3-1 各種鋰電池研究現狀與發展動態

磁電效應是指鋰電池結構在外加磁場中發生電極化響應的現象，或電池在外加電場中發生磁化改變的現象。例如，磁電電池能夠儲能的最小極限磁場是10^-12T，可與造價昂貴的超導量子儲能電池性能相媲美，相對于霍爾磁場儲能電池而言，成本更低，壽命更長，可實現的最低磁場頻率為10^-2Hz，可應對磁場的異常變化。磁電能量轉換系統電池作為電動車輛電池，在低頻下可以保持穩定的輸出能量，是一般電池所不能達到的，其基本器件模型如圖3-2所示。利用該磁電復合電池可設計出快速電極化誘導、快速磁疇翻轉的磁電鋰電池代替現有的慢速充電鋰電池，提升鋰電池的充電效率與使用壽命；同時，還可用其高介電常數和磁導率制成鋰電池均衡電池組，解決電感和電容器件相互干擾問題，并減少高能量密度儲能裝置上的器件數量。

隨著實驗技術的發展，電動車輛鋰電池磁電能量轉換系統的研究也在不斷發展。例如，在研究中增加偏置磁、電和溫度場三個自由度，偏置磁場會影響非線性磁致伸縮效應，因此可以測量得到磁電電壓系數隨著偏置磁場的增加而出現的非線性甚至滯后的變化規律。當存在偏置電場時，將會引起鋰電池結構的非線性電致伸縮，因此其壓電系數已經不能夠表征其變形與電位移之間的關系。當外加電場增加到矯頑場附近時，有可能很大程度上改善鋰電池結構的磁電性質。當存在偏置磁電場時，可導致鐵彈性行為，溫度場將誘發材料的“跳變”，從而提高鋰電池結構的磁電性質。這些現象均是由于相似的物理機制引起的，即外場引起了疇變發生。同時，如果鋰電池結構的熱穩定性較差，則會導致磁電性質的變弱甚至消失，限制結構的磁電應用。因此，這方面的研究對于形成磁電介質的完整本構理論體系、設計與優化磁電能量轉換系統鋰電池的綜合性能具有重要的意義。

圖3-2 磁電能量轉換系統基本器件磁電耦合模型

a）壓電層的磁疇傳播 b）施加局部應力控制磁疇傳播 c）磁電磁疇與電極結構

一方面，當溫度場穩定時，即使鋰電池結構擁有較高的磁電電壓系數，也可以誘發較高的電極化強度，有利于實際工程應用；另一方面，若檢測磁電電壓系數與電流幅值之間存在一定的關系，則可探索新型磁電儲能電池以平衡電流磁場的溫度強度。人們研究了各種因素對材料性能的影響，包括界面化學行為、非線性效應、壓電壓磁結構匹配組合、極化方向等因素。在實驗基礎上設計與表征磁電能量轉換系統鋰電池，非線性磁電和溫度耦合效應是難點之一，也是研究發展方向之一。綜上所述，我們采用理論、數值和實驗相結合的方法，重點介紹磁電能量轉換系統鋰電池的磁電效應模型、磁電能量轉換系統電池能量系統耦合設計與磁電能量轉換系統鋰電池實驗表征。