3.4 磁電能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)鋰電池實驗表征

人們研究了磁電耦合場及電流場的加載與檢測技術(shù)，提出合理的多場耦合的加載與測量方案，發(fā)展新的實驗方法，解決了實驗技術(shù)難題，得到磁電能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)鋰電池X射線同步輻射技術(shù)微尺度表征，如圖3-8所示。解決了高壓電場擊穿、絕緣問題，高磁場電磁鐵極頭間距與高載荷裝置的空間矛盾問題；電信號、磁信號等在溫度影響下引起的溫漂問題。在強(qiáng)磁場以及高頻擾動磁場下，許多儲能器已經(jīng)失效，需要進(jìn)行磁屏蔽與噪聲屏蔽，并避免加載裝置以及儲能器對磁場均勻度的影響等。該結(jié)構(gòu)在磁電多場耦合下的磁電性質(zhì)表征，包括觀測結(jié)構(gòu)的溫度穩(wěn)定性、電致伸縮及磁致伸縮對磁電性質(zhì)的影響、非線性磁電性質(zhì)、界面行為與溫度效應(yīng)對儲能的影響、外加磁電耦合場對磁電性質(zhì)及儲能頻率調(diào)控規(guī)律等。

科學(xué)家考慮失配應(yīng)變的結(jié)構(gòu)設(shè)計，由于結(jié)構(gòu)制備中存在失配應(yīng)變，相當(dāng)于在某一方向上存在偏置的應(yīng)力，因此會提高材料性能，當(dāng)在偏置磁場下對壓電相和壓磁相結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)合的時候，壓磁相復(fù)合結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生伸長或者收縮變形，當(dāng)結(jié)構(gòu)復(fù)合完畢后去掉偏置場，將會產(chǎn)生失配應(yīng)變。在檢測這種結(jié)構(gòu)的磁電性質(zhì)時，沿著另外一個方向施加磁場，可能會提高結(jié)構(gòu)的磁電電壓系數(shù)。預(yù)制失配應(yīng)變的方案如圖3-9所示，通過界面之間徑向的變形匹配來實現(xiàn)磁電性質(zhì)，超磁致伸縮結(jié)構(gòu)在縱向的伸長效應(yīng)傳遞給壓電材料，該內(nèi)外鑲嵌結(jié)構(gòu)使磁電材料的徑向收縮及縱向的伸長均與壓電材料產(chǎn)生耦合作用，從而提高了結(jié)構(gòu)的磁電轉(zhuǎn)換效率。

磁電性質(zhì)產(chǎn)生的極化電荷容易通過外電路瞬間泄漏掉而很難檢測，測量的電壓值不穩(wěn)定，人們用動態(tài)法測量了結(jié)構(gòu)磁電性質(zhì)，如圖3-10所示。該測試表征系統(tǒng)的偏置直流磁場由功率直流電源驅(qū)動電磁鐵產(chǎn)生，場強(qiáng)由高斯計檢測。電流磁場由信號發(fā)生器驅(qū)動線圈產(chǎn)生，誘發(fā)電流磁場信號經(jīng)電荷放大儀在示波器上顯示，可直接測量得到磁電電壓系數(shù)，α_E=dE/dH≈ΔE/ΔH，而且交變信號穩(wěn)定。

目前缺少有效的磁電多場耦合環(huán)境下的實驗方法與測試技術(shù)?，F(xiàn)有實驗觀測了單純磁場誘發(fā)的電極化或者電場誘發(fā)的磁化現(xiàn)象，對結(jié)構(gòu)在磁場-電場-溫度場耦合場下的變形行為和性能研究鮮有報道，即同時存在偏置磁場、偏置電場和溫度場時，實驗工作較少，這主要是在一個實驗平臺上實現(xiàn)多場耦合的加載技術(shù)及相應(yīng)的測量較困難，也成為實驗滯后理論的一個原因。例如，高壓電場擊穿、絕緣問題，高磁場的產(chǎn)生要求很小的電磁鐵極頭間距，這與高載荷產(chǎn)生裝置的空間需求產(chǎn)生矛盾，電信號、磁信號等在溫度場影響下引起漂移等難題。利用結(jié)構(gòu)實現(xiàn)物體儲能的實驗獲得成功，標(biāo)志著人們對磁電儲能的操控達(dá)到了新水平。但由于受到工藝限制，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)最好具有簡單的構(gòu)型。結(jié)構(gòu)由于微結(jié)構(gòu)本身的特點，其宏觀性質(zhì)從形式上與傳統(tǒng)的夾雜/基體型復(fù)合結(jié)構(gòu)有較大的差別。高介電顆粒在磁電作用下可以產(chǎn)生電和磁儲能，利用這種儲能性質(zhì)作者課題組初步實現(xiàn)了顆粒夾雜/基體結(jié)構(gòu)，該磁電能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)設(shè)計的核心是通過磁電效應(yīng)機(jī)理形成微結(jié)構(gòu)的磁電儲能，利用該結(jié)構(gòu)對磁電儲能進(jìn)行操控是對結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)和材料的一體化設(shè)計問題，這涉及兩個層次：一個是結(jié)構(gòu)層次，即按照預(yù)先的功能設(shè)計出結(jié)構(gòu)中材料的分布形式；另一個是材料層次，即按照所需要的材料分布形式設(shè)計相應(yīng)的結(jié)構(gòu)，這一點與核殼鋰電池材料完全類似，不僅在空間中每點的性質(zhì)不同，而且要求材料是各向異性的。這也給傳統(tǒng)的實驗表征帶來了新挑戰(zhàn)，因此迫切需要開發(fā)針對材料與結(jié)構(gòu)、能量模型的精確表征。

科學(xué)家研究了結(jié)構(gòu)在磁電耦合場下的實驗加載、測量技術(shù)與表征，以磁場/電場調(diào)控的儲能器件為例，由于不同偏置磁場/電場將改變結(jié)構(gòu)的介電常數(shù)、彈性系數(shù)、磁導(dǎo)率等材料參數(shù)，從而可以調(diào)控儲能頻率的大小和頻寬等特性，可以通過偏置場控制儲能頻率。由于偏置場為非接觸場，無須引線，避免了引線位置影響儲能等問題。該實驗方案解決了屏蔽和電磁兼容問題，搭建了實驗平臺與研發(fā)測控軟件，多場耦合加載與測量實驗平臺原理示意圖如圖3-11所示，實現(xiàn)加載和測量控制，以及數(shù)據(jù)采集和處理，包括溫度量、磁學(xué)量及電學(xué)量等物理量檢測和實驗曲線繪制，電流場加載采用信號發(fā)生器經(jīng)過放大器驅(qū)動亥姆霍茲線圈產(chǎn)生電流磁場，分別采用檢測線圈和電荷儀連接相機(jī)測量電流磁場和電場信號。

人們設(shè)計了夾雜/基體型磁電能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)鋰電池，通過實驗研究顆粒體積含量、分布以及大小對宏觀電磁性能的影響，研究高介電粉末填充復(fù)合結(jié)構(gòu)實現(xiàn)磁電能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)鋰電池的可能性。根據(jù)使磁電繞射、儲能等功能要求，通過調(diào)節(jié)儲能單元在空間的分布、尺寸及含量的變化，使其滿足所要求的有效性質(zhì)的空間變化和各向異性。利用數(shù)值方法進(jìn)行驗證和優(yōu)化，并進(jìn)行相應(yīng)的實驗和功能測試。利用高介電常數(shù)納米結(jié)構(gòu)（如高介電鋰電池納米結(jié)構(gòu)）的儲能性質(zhì)，將其作為金屬（或散射體）的包裹層，設(shè)計并測試對磁電儲能的影響。采用磁電能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)鋰電池實驗單元的儲能性質(zhì)，透射電鏡實驗研究納米尺度儲能特性，建立該系統(tǒng)納米尺度鋰化進(jìn)程速度與納米結(jié)構(gòu)的關(guān)系，并進(jìn)行演化進(jìn)程的實驗表征驗證，如圖3-12所示。該磁電耦合場下的結(jié)構(gòu)電池實驗包括：觀測結(jié)構(gòu)溫度穩(wěn)定性，電致伸縮及磁致伸縮對磁電性質(zhì)的影響，非線性磁電性質(zhì)，空間變化，界面對儲能頻率以及頻寬的影響規(guī)律，磁電電壓系數(shù)在固定電流頻率下隨偏置耦合場的變化規(guī)律，磁電電壓系數(shù)在固定偏置耦合場作用下隨著電流頻率的變化規(guī)律，不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的磁電電壓系數(shù)變化規(guī)律。測量實驗參數(shù)包括矯頑場、電位移、磁化強(qiáng)度、電/磁致伸縮、磁電電壓系數(shù)、失配變形、溫度儲能頻率和頻寬等。采用磁電電壓系數(shù)α_E=ΔE/ΔH或者α=ΔP/ΔH磁電系數(shù)來表征線性磁電性質(zhì)，采用=E/H來表征非線性磁電性質(zhì)。

作者課題組對磁電能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)鋰電池模型、電池能量系統(tǒng)耦合設(shè)計與磁電場與溫度場耦合效應(yīng)的實驗表征等問題開展了系統(tǒng)而有序的研究，在鋰電池結(jié)構(gòu)多場耦合效應(yīng)及電池能量系統(tǒng)設(shè)計方面有所突破。磁電能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)鋰電池在電動車輛鋰電池與大型均衡電池組儲能等領(lǐng)域都具有誘人的潛在應(yīng)用前景，同時在科學(xué)層面上又提出了許多急需解決的能源問題。正如前面分析，磁電能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)鋰電池最早源于對能源電池?zé)釕?yīng)力問題的研究，至今許多研究思想和方法如均質(zhì)化和多功能一體化設(shè)計（結(jié)構(gòu)磁電性質(zhì)和溫度效應(yīng)的研究成果可以相互借鑒）仍然在磁電能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)鋰電池微結(jié)構(gòu)表征和能量系統(tǒng)設(shè)計方法中發(fā)揮著重要作用。