3.4 磁电能量转换系统锂电池实验表征

人们研究了磁电耦合场及电流场的加载与检测技术，提出合理的多场耦合的加载与测量方案，发展新的实验方法，解决了实验技术难题，得到磁电能量转换系统锂电池X射线同步辐射技术微尺度表征，如图3-8所示。解决了高压电场击穿、绝缘问题，高磁场电磁铁极头间距与高载荷装置的空间矛盾问题；电信号、磁信号等在温度影响下引起的温漂问题。在强磁场以及高频扰动磁场下，许多储能器已经失效，需要进行磁屏蔽与噪声屏蔽，并避免加载装置以及储能器对磁场均匀度的影响等。该结构在磁电多场耦合下的磁电性质表征，包括观测结构的温度稳定性、电致伸缩及磁致伸缩对磁电性质的影响、非线性磁电性质、界面行为与温度效应对储能的影响、外加磁电耦合场对磁电性质及储能频率调控规律等。

图3-8 磁电能量转换系统锂电池X射线同步辐射技术微尺度表征

a）结构形态演化过程 b）单个微结构形态演化过程

科学家考虑失配应变的结构设计，由于结构制备中存在失配应变，相当于在某一方向上存在偏置的应力，因此会提高材料性能，当在偏置磁场下对压电相和压磁相结构进行复合的时候，压磁相复合结构将产生伸长或者收缩变形，当结构复合完毕后去掉偏置场，将会产生失配应变。在检测这种结构的磁电性质时，沿着另外一个方向施加磁场，可能会提高结构的磁电电压系数。预制失配应变的方案如图3-9所示，通过界面之间径向的变形匹配来实现磁电性质，超磁致伸缩结构在纵向的伸长效应传递给压电材料，该内外镶嵌结构使磁电材料的径向收缩及纵向的伸长均与压电材料产生耦合作用，从而提高了结构的磁电转换效率。

磁电性质产生的极化电荷容易通过外电路瞬间泄漏掉而很难检测，测量的电压值不稳定，人们用动态法测量了结构磁电性质，如图3-10所示。该测试表征系统的偏置直流磁场由功率直流电源驱动电磁铁产生，场强由高斯计检测。电流磁场由信号发生器驱动线圈产生，诱发电流磁场信号经电荷放大仪在示波器上显示，可直接测量得到磁电电压系数，α_E=dE/dH≈ΔE/ΔH，而且交变信号稳定。

目前缺少有效的磁电多场耦合环境下的实验方法与测试技术。现有实验观测了单纯磁场诱发的电极化或者电场诱发的磁化现象，对结构在磁场-电场-温度场耦合场下的变形行为和性能研究鲜有报道，即同时存在偏置磁场、偏置电场和温度场时，实验工作较少，这主要是在一个实验平台上实现多场耦合的加载技术及相应的测量较困难，也成为实验滞后理论的一个原因。例如，高压电场击穿、绝缘问题，高磁场的产生要求很小的电磁铁极头间距，这与高载荷产生装置的空间需求产生矛盾，电信号、磁信号等在温度场影响下引起漂移等难题。利用结构实现物体储能的实验获得成功，标志着人们对磁电储能的操控达到了新水平。但由于受到工艺限制，系统结构最好具有简单的构型。结构由于微结构本身的特点，其宏观性质从形式上与传统的夹杂/基体型复合结构有较大的差别。高介电颗粒在磁电作用下可以产生电和磁储能，利用这种储能性质作者课题组初步实现了颗粒夹杂/基体结构，该磁电能量转换系统设计的核心是通过磁电效应机理形成微结构的磁电储能，利用该结构对磁电储能进行操控是对结构、系统和材料的一体化设计问题，这涉及两个层次：一个是结构层次，即按照预先的功能设计出结构中材料的分布形式；另一个是材料层次，即按照所需要的材料分布形式设计相应的结构，这一点与核壳锂电池材料完全类似，不仅在空间中每点的性质不同，而且要求材料是各向异性的。这也给传统的实验表征带来了新挑战，因此迫切需要开发针对材料与结构、能量模型的精确表征。

图3-9 基于预制失配应变设计的内外镶嵌结构与磁畴分布示意图

a）磁畴壁结构与磁畴传播形态 b）加载磁畴壁结构与磁畴调控

图3-10 偏置场动态磁电性质测试表征系统图

科学家研究了结构在磁电耦合场下的实验加载、测量技术与表征，以磁场/电场调控的储能器件为例，由于不同偏置磁场/电场将改变结构的介电常数、弹性系数、磁导率等材料参数，从而可以调控储能频率的大小和频宽等特性，可以通过偏置场控制储能频率。由于偏置场为非接触场，无须引线，避免了引线位置影响储能等问题。该实验方案解决了屏蔽和电磁兼容问题，搭建了实验平台与研发测控软件，多场耦合加载与测量实验平台原理示意图如图3-11所示，实现加载和测量控制，以及数据采集和处理，包括温度量、磁学量及电学量等物理量检测和实验曲线绘制，电流场加载采用信号发生器经过放大器驱动亥姆霍兹线圈产生电流磁场，分别采用检测线圈和电荷仪连接相机测量电流磁场和电场信号。

图3-11 基于偏置磁场调制频率的多场耦合加载与测量平台示意图

人们设计了夹杂/基体型磁电能量转换系统锂电池，通过实验研究颗粒体积含量、分布以及大小对宏观电磁性能的影响，研究高介电粉末填充复合结构实现磁电能量转换系统锂电池的可能性。根据使磁电绕射、储能等功能要求，通过调节储能单元在空间的分布、尺寸及含量的变化，使其满足所要求的有效性质的空间变化和各向异性。利用数值方法进行验证和优化，并进行相应的实验和功能测试。利用高介电常数纳米结构（如高介电锂电池纳米结构）的储能性质，将其作为金属（或散射体）的包裹层，设计并测试对磁电储能的影响。采用磁电能量转换系统锂电池实验单元的储能性质，透射电镜实验研究纳米尺度储能特性，建立该系统纳米尺度锂化进程速度与纳米结构的关系，并进行演化进程的实验表征验证，如图3-12所示。该磁电耦合场下的结构电池实验包括：观测结构温度稳定性，电致伸缩及磁致伸缩对磁电性质的影响，非线性磁电性质，空间变化，界面对储能频率以及频宽的影响规律，磁电电压系数在固定电流频率下随偏置耦合场的变化规律，磁电电压系数在固定偏置耦合场作用下随着电流频率的变化规律，不同结构参数下的磁电电压系数变化规律。测量实验参数包括矫顽场、电位移、磁化强度、电/磁致伸缩、磁电电压系数、失配变形、温度储能频率和频宽等。采用磁电电压系数α_E=ΔE/ΔH或者α=ΔP/ΔH磁电系数来表征线性磁电性质，采用=E/H来表征非线性磁电性质。

图3-12 磁电能量转换系统锂电池纳米结构的储能性质演化进程透射电镜纳米尺度表征

作者课题组对磁电能量转换系统锂电池模型、电池能量系统耦合设计与磁电场与温度场耦合效应的实验表征等问题开展了系统而有序的研究，在锂电池结构多场耦合效应及电池能量系统设计方面有所突破。磁电能量转换系统锂电池在电动车辆锂电池与大型均衡电池组储能等领域都具有诱人的潜在应用前景，同时在科学层面上又提出了许多急需解决的能源问题。正如前面分析，磁电能量转换系统锂电池最早源于对能源电池热应力问题的研究，至今许多研究思想和方法如均质化和多功能一体化设计（结构磁电性质和温度效应的研究成果可以相互借鉴）仍然在磁电能量转换系统锂电池微结构表征和能量系统设计方法中发挥着重要作用。