3.4 磁電能量轉換系統鋰電池實驗表征

人們研究了磁電耦合場及電流場的加載與檢測技術，提出合理的多場耦合的加載與測量方案，發展新的實驗方法，解決了實驗技術難題，得到磁電能量轉換系統鋰電池X射線同步輻射技術微尺度表征，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。在強磁場以及高頻擾動磁場下，許多儲能器已經失效，需要進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。該結構在磁電多場耦合下的磁電性質表征，包括觀測結構的溫度穩定性、電致伸縮及磁致伸縮對磁電性質的影響、非線性磁電性質、界面行為與溫度效應對儲能的影響、外加磁電耦合場對磁電性質及儲能頻率調控規律等。

科學家考慮失配應變的結構設計，由于結構制備中存在失配應變，相當于在某一方向上存在偏置的應力，因此會提高材料性能，當在偏置磁場下對壓電相和壓磁相結構進行復合的時候，壓磁相復合結構將產生伸長或者收縮變形，當結構復合完畢后去掉偏置場，將會產生失配應變。在檢測這種結構的磁電性質時，沿著另外一個方向施加磁場，可能會提高結構的磁電電壓系數。預制失配應變的方案如圖3-9所示，通過界面之間徑向的變形匹配來實現磁電性質，超磁致伸縮結構在縱向的伸長效應傳遞給壓電材料，該內外鑲嵌結構使磁電材料的徑向收縮及縱向的伸長均與壓電材料產生耦合作用，從而提高了結構的磁電轉換效率。

磁電性質產生的極化電荷容易通過外電路瞬間泄漏掉而很難檢測，測量的電壓值不穩定，人們用動態法測量了結構磁電性質，如圖3-10所示。該測試表征系統的偏置直流磁場由功率直流電源驅動電磁鐵產生，場強由高斯計檢測。電流磁場由信號發生器驅動線圈產生，誘發電流磁場信號經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，α_E=dE/dH≈ΔE/ΔH，而且交變信號穩定。

目前缺少有效的磁電多場耦合環境下的實驗方法與測試技術。現有實驗觀測了單純磁場誘發的電極化或者電場誘發的磁化現象，對結構在磁場-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多場耦合的加載技術及相應的測量較困難，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，高磁場的產生要求很小的電磁鐵極頭間距，這與高載荷產生裝置的空間需求產生矛盾，電信號、磁信號等在溫度場影響下引起漂移等難題。利用結構實現物體儲能的實驗獲得成功，標志著人們對磁電儲能的操控達到了新水平。但由于受到工藝限制，系統結構最好具有簡單的構型。結構由于微結構本身的特點，其宏觀性質從形式上與傳統的夾雜/基體型復合結構有較大的差別。高介電顆粒在磁電作用下可以產生電和磁儲能，利用這種儲能性質作者課題組初步實現了顆粒夾雜/基體結構，該磁電能量轉換系統設計的核心是通過磁電效應機理形成微結構的磁電儲能，利用該結構對磁電儲能進行操控是對結構、系統和材料的一體化設計問題，這涉及兩個層次：一個是結構層次，即按照預先的功能設計出結構中材料的分布形式；另一個是材料層次，即按照所需要的材料分布形式設計相應的結構，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不同，而且要求材料是各向異性的。這也給傳統的實驗表征帶來了新挑戰，因此迫切需要開發針對材料與結構、能量模型的精確表征。

科學家研究了結構在磁電耦合場下的實驗加載、測量技術與表征，以磁場/電場調控的儲能器件為例，由于不同偏置磁場/電場將改變結構的介電常數、彈性系數、磁導率等材料參數，從而可以調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，實現加載和測量控制，以及數據采集和處理，包括溫度量、磁學量及電學量等物理量檢測和實驗曲線繪制，電流場加載采用信號發生器經過放大器驅動亥姆霍茲線圈產生電流磁場，分別采用檢測線圈和電荷儀連接相機測量電流磁場和電場信號。

人們設計了夾雜/基體型磁電能量轉換系統鋰電池，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合結構實現磁電能量轉換系統鋰電池的可能性。根據使磁電繞射、儲能等功能要求，通過調節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的空間變化和各向異性。利用數值方法進行驗證和優化，并進行相應的實驗和功能測試。利用高介電常數納米結構（如高介電鋰電池納米結構）的儲能性質，將其作為金屬（或散射體）的包裹層，設計并測試對磁電儲能的影響。采用磁電能量轉換系統鋰電池實驗單元的儲能性質，透射電鏡實驗研究納米尺度儲能特性，建立該系統納米尺度鋰化進程速度與納米結構的關系，并進行演化進程的實驗表征驗證，如圖3-12所示。該磁電耦合場下的結構電池實驗包括：觀測結構溫度穩定性，電致伸縮及磁致伸縮對磁電性質的影響，非線性磁電性質，空間變化，界面對儲能頻率以及頻寬的影響規律，磁電電壓系數在固定電流頻率下隨偏置耦合場的變化規律，磁電電壓系數在固定偏置耦合場作用下隨著電流頻率的變化規律，不同結構參數下的磁電電壓系數變化規律。測量實驗參數包括矯頑場、電位移、磁化強度、電/磁致伸縮、磁電電壓系數、失配變形、溫度儲能頻率和頻寬等。采用磁電電壓系數α_E=ΔE/ΔH或者α=ΔP/ΔH磁電系數來表征線性磁電性質，采用=E/H來表征非線性磁電性質。

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