3.2 磁電能量轉換系統鋰電池轉換能量系統磁電效應模型

隨著異向介質、復相陶瓷及單相固熔體等材料的研究取得重大突破，磁電能量轉換系統鋰電池的應用前景已十分明朗，也吸引了眾多學者的研究興趣。鐵電-鐵磁結構的磁電性質是通過鐵電相/鐵磁相的乘積效應實現的，即：磁電=磁/力×力/電，可以產生遠高于單相材料的磁電性質，且復合的方法可實現材料組分及復合結構的設計，以滿足工程應用的要求。從乘積效應的機理可以看出，其中的機械變形機制起到了關鍵作用。目前，采用超磁致伸縮結構體系的磁電性能最高，磁電電壓系數達到了6.3V/cmOe，當采用具有很高壓電系數的[001]取向的結構層時，磁電電壓系數達到了12.1V/cmOe。各組元材料性能參數、溫度特性、顆粒形狀、取向、界面化學行為、偏置磁場幅值、施加方向及電流磁場頻率等對于磁電性質均有影響。

目前的理論方法大致包括等效電路方法、磁電物理方法及有效介質理論等，能夠預測顆粒形狀、取向、材料組分及溫度等參數對磁電性質的影響及儲能效應。例如，利用等效電路方法分析了鋰電池結構的儲能行為，通過界面耦合系數，利用等效電路方法計算得到磁電性質和儲能特性。科學家從納米尺度效應出發，計算了磁電性質與磁場頻率的關系。利用磁電物理方法，考慮了微結構取向、分布和形狀，計算了鋰電池結構在線性壓電、壓磁、彈性變形及溫度場下的磁電性質，并基于非均質結構理論提出了有效介質理論，在充放電過程中引入了非線性物理本構關系與磁致伸縮應變，在磁電性能方面做出預測設計模型并優化，如圖3-3所示。該模型考慮了充放電過程、鋰化進程與鈉化進程等諸多因素，完善了鋰電池物理模型及有效數值計算策略，描述磁電性質的變化規律，并對磁電鋰電池結構進行材料組分和復合結構的優化設計，從而得到了優異的磁電性質。

目前為止，對磁電能量轉換系統鋰電池尚未形成完備的多場耦合磁電效應模型，在本構理論中雖引入了非線性磁致伸縮的影響，但仍忽略了材料組元的鐵彈性，所采用的本構方程不能描述電池溫度場對磁疇及電疇分布的影響、磁致伸縮的“跳變”效應、溫度場對磁電性質的影響、電致伸縮效應等。并且，介電常數、磁導率、磁致伸縮、電致伸縮、溫度參數均為外偏置耦合場的函數，在預測多場耦合下的溫度效應、磁電性質和儲能上存在較大偏差。另外，僅考慮線性壓電壓磁效應，也很難預測滯后效應。磁電耦合復雜性、疇變機制、衰退過程和非線性效應成為物理本構理論難點，也是非線性問題表征的發展方向。科學家建立了結構鋰電池轉換能量系統衰退過程的非線性磁電場與溫度場耦合的磁電效應模型，如圖3-4所示，發展了一套完備的多場耦合本構關系，對結構多場磁電能量耦合行為進行描述和預測。

圖3-3 充放電過程微結構變化過程預測模型

a）鈉化放電進程 b）鈉化充電進程 c）鋰化放電進程 d）鋰化充電進程

人們預測外加耦合場、界面化學行為等對磁電性質、溫度儲能頻率及頻寬的影響；開發了結構優化設計程序，優化設計材料組分及結構參數等，優化后的結構鋰電池轉換能量系統磁電效應模型如圖3-5所示。該石榴模型可使結構的磁電效應機制，在電動車輛鋰電池上得到充分發揮，該模型基于疇變的非線性本構關系的物理機制來研究結構的磁電變形機制，定量描述了電池結構的磁電性質和溫度效應。在壓電方程、壓磁方程中引入磁致伸縮/電致伸縮效應，描述介電常數、磁導率、壓電系數、壓磁系數及彈性系數隨著磁電-溫度耦合場的變化規律。該模型在非線性結構本構理論基礎上，結合非均質理論，得到了微結構在磁電能量轉換系統鋰電池儲能中的影響規律，發展與優化了非線性磁電性質及溫度效應的模型與設計方法，很好地解釋了溫度與磁電鋰電池的儲能耦合性質。

圖3-4 衰退過程的鋰電池轉換能量系統磁電效應模型

圖3-5 結構鋰電池轉換能量系統磁電效應優化石榴模型

a）三維微結構石榴模型 b）、c）二維微結構石榴模型