3.1 磁电能量转换模型

磁电能量转换系统锂电池（压电/压磁结构、电致伸缩结构、磁致伸缩结构以及铁电/铁磁复合结构等）同时具有智能充电和电能优化转换等优越性能，在车辆、宇航及能量转换等领域中都起到了重要作用。例如，在电动车辆领域，已出现整体锂电池结构车辆。锂电池技术发展迅猛，得到了全世界的广泛关注，各种锂电池研究现状与发展动态如图3-1所示。最初由于结构具有能降低能源系统内部应力集中并提高电池材料热稳定性等特点，将结构设计思想引入到电动车辆锂电池系统中，后续研究逐步发现其具有磁、电、温度等多场耦合特性和可设计的磁电性质，形成了高能量转换磁电效应结构锂电池，并因其具有磁电与温度耦合效应，能延长电池使用寿命、稳定充放电等优点，成为非常诱人的研究热点之一。磁电能量转换系统锂电池，在高密度能量转换电池、超级电容器、均衡电池组及无线能量转换等领域具有广泛的应用前景和重要价值，引起了人们强烈的研究兴趣。

图3-1 各种锂电池研究现状与发展动态

磁电效应是指锂电池结构在外加磁场中发生电极化响应的现象，或电池在外加电场中发生磁化改变的现象。例如，磁电电池能够储能的最小极限磁场是10^-12T，可与造价昂贵的超导量子储能电池性能相媲美，相对于霍尔磁场储能电池而言，成本更低，寿命更长，可实现的最低磁场频率为10^-2Hz，可应对磁场的异常变化。磁电能量转换系统电池作为电动车辆电池，在低频下可以保持稳定的输出能量，是一般电池所不能达到的，其基本器件模型如图3-2所示。利用该磁电复合电池可设计出快速电极化诱导、快速磁畴翻转的磁电锂电池代替现有的慢速充电锂电池，提升锂电池的充电效率与使用寿命；同时，还可用其高介电常数和磁导率制成锂电池均衡电池组，解决电感和电容器件相互干扰问题，并减少高能量密度储能装置上的器件数量。

随着实验技术的发展，电动车辆锂电池磁电能量转换系统的研究也在不断发展。例如，在研究中增加偏置磁、电和温度场三个自由度，偏置磁场会影响非线性磁致伸缩效应，因此可以测量得到磁电电压系数随着偏置磁场的增加而出现的非线性甚至滞后的变化规律。当存在偏置电场时，将会引起锂电池结构的非线性电致伸缩，因此其压电系数已经不能够表征其变形与电位移之间的关系。当外加电场增加到矫顽场附近时，有可能很大程度上改善锂电池结构的磁电性质。当存在偏置磁电场时，可导致铁弹性行为，温度场将诱发材料的“跳变”，从而提高锂电池结构的磁电性质。这些现象均是由于相似的物理机制引起的，即外场引起了畴变发生。同时，如果锂电池结构的热稳定性较差，则会导致磁电性质的变弱甚至消失，限制结构的磁电应用。因此，这方面的研究对于形成磁电介质的完整本构理论体系、设计与优化磁电能量转换系统锂电池的综合性能具有重要的意义。

图3-2 磁电能量转换系统基本器件磁电耦合模型

a）压电层的磁畴传播 b）施加局部应力控制磁畴传播 c）磁电磁畴与电极结构

一方面，当温度场稳定时，即使锂电池结构拥有较高的磁电电压系数，也可以诱发较高的电极化强度，有利于实际工程应用；另一方面，若检测磁电电压系数与电流幅值之间存在一定的关系，则可探索新型磁电储能电池以平衡电流磁场的温度强度。人们研究了各种因素对材料性能的影响，包括界面化学行为、非线性效应、压电压磁结构匹配组合、极化方向等因素。在实验基础上设计与表征磁电能量转换系统锂电池，非线性磁电和温度耦合效应是难点之一，也是研究发展方向之一。综上所述，我们采用理论、数值和实验相结合的方法，重点介绍磁电能量转换系统锂电池的磁电效应模型、磁电能量转换系统电池能量系统耦合设计与磁电能量转换系统锂电池实验表征。