3.2 磁电能量转换系统锂电池转换能量系统磁电效应模型

随着异向介质、复相陶瓷及单相固熔体等材料的研究取得重大突破，磁电能量转换系统锂电池的应用前景已十分明朗，也吸引了众多学者的研究兴趣。铁电-铁磁结构的磁电性质是通过铁电相/铁磁相的乘积效应实现的，即：磁电=磁/力×力/电，可以产生远高于单相材料的磁电性质，且复合的方法可实现材料组分及复合结构的设计，以满足工程应用的要求。从乘积效应的机理可以看出，其中的机械变形机制起到了关键作用。目前，采用超磁致伸缩结构体系的磁电性能最高，磁电电压系数达到了6.3V/cmOe，当采用具有很高压电系数的[001]取向的结构层时，磁电电压系数达到了12.1V/cmOe。各组元材料性能参数、温度特性、颗粒形状、取向、界面化学行为、偏置磁场幅值、施加方向及电流磁场频率等对于磁电性质均有影响。

目前的理论方法大致包括等效电路方法、磁电物理方法及有效介质理论等，能够预测颗粒形状、取向、材料组分及温度等参数对磁电性质的影响及储能效应。例如，利用等效电路方法分析了锂电池结构的储能行为，通过界面耦合系数，利用等效电路方法计算得到磁电性质和储能特性。科学家从纳米尺度效应出发，计算了磁电性质与磁场频率的关系。利用磁电物理方法，考虑了微结构取向、分布和形状，计算了锂电池结构在线性压电、压磁、弹性变形及温度场下的磁电性质，并基于非均质结构理论提出了有效介质理论，在充放电过程中引入了非线性物理本构关系与磁致伸缩应变，在磁电性能方面做出预测设计模型并优化，如图3-3所示。该模型考虑了充放电过程、锂化进程与钠化进程等诸多因素，完善了锂电池物理模型及有效数值计算策略，描述磁电性质的变化规律，并对磁电锂电池结构进行材料组分和复合结构的优化设计，从而得到了优异的磁电性质。

目前为止，对磁电能量转换系统锂电池尚未形成完备的多场耦合磁电效应模型，在本构理论中虽引入了非线性磁致伸缩的影响，但仍忽略了材料组元的铁弹性，所采用的本构方程不能描述电池温度场对磁畴及电畴分布的影响、磁致伸缩的“跳变”效应、温度场对磁电性质的影响、电致伸缩效应等。并且，介电常数、磁导率、磁致伸缩、电致伸缩、温度参数均为外偏置耦合场的函数，在预测多场耦合下的温度效应、磁电性质和储能上存在较大偏差。另外，仅考虑线性压电压磁效应，也很难预测滞后效应。磁电耦合复杂性、畴变机制、衰退过程和非线性效应成为物理本构理论难点，也是非线性问题表征的发展方向。科学家建立了结构锂电池转换能量系统衰退过程的非线性磁电场与温度场耦合的磁电效应模型，如图3-4所示，发展了一套完备的多场耦合本构关系，对结构多场磁电能量耦合行为进行描述和预测。

图3-3 充放电过程微结构变化过程预测模型

a）钠化放电进程 b）钠化充电进程 c）锂化放电进程 d）锂化充电进程

人们预测外加耦合场、界面化学行为等对磁电性质、温度储能频率及频宽的影响；开发了结构优化设计程序，优化设计材料组分及结构参数等，优化后的结构锂电池转换能量系统磁电效应模型如图3-5所示。该石榴模型可使结构的磁电效应机制，在电动车辆锂电池上得到充分发挥，该模型基于畴变的非线性本构关系的物理机制来研究结构的磁电变形机制，定量描述了电池结构的磁电性质和温度效应。在压电方程、压磁方程中引入磁致伸缩/电致伸缩效应，描述介电常数、磁导率、压电系数、压磁系数及弹性系数随着磁电-温度耦合场的变化规律。该模型在非线性结构本构理论基础上，结合非均质理论，得到了微结构在磁电能量转换系统锂电池储能中的影响规律，发展与优化了非线性磁电性质及温度效应的模型与设计方法，很好地解释了温度与磁电锂电池的储能耦合性质。

图3-4 衰退过程的锂电池转换能量系统磁电效应模型

图3-5 结构锂电池转换能量系统磁电效应优化石榴模型

a）三维微结构石榴模型 b）、c）二维微结构石榴模型