Superior energy storage properties with prominent thermal stability in lead-free KNN-based ceramics through multi-component optimization strategy

储能 材料科学 陶瓷 电介质 电容器 热稳定性 航程(航空) 脉冲功率 功率密度 功率(物理) 工程物理 光电子学 复合材料 电气工程 电压 热力学 工程类 化学工程 物理
作者
Qifan Chen,Hao Chen,Dong Wang,Tingting Gao,Qinyu Li,Rong Lang,Zhi Tan,Jie Xing,Jianguo Zhu
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier BV]
卷期号:494: 152823-152823 被引量:8
标识
DOI:10.1016/j.cej.2024.152823
摘要

The advancement of high energy storage properties and outstanding temperature stability ceramics plays a decisive role in the field of pulsed power systems. The multi-component optimization strategy is conducted by introducing Li+, Bi(Ni1/2Zr1/2)O3 and NaNbO3 into KNN-based ceramics. An excellent energy storage (W) of 7.82 J/cm3 along with a large efficiency (η) of 81.8 % is achieved at the breakdown strength (BDS) of 500 kV/cm for the ceramics. Simultaneously, the remarkable energy storage thermal stability (ΔWrec: ∼ 2.9 %, Δη: ∼ 3.9 %) is acquired in the range from 20 ℃ to 100 ℃. The splendid charging-discharging performances (discharge energy density Wd = 1.78 J/cm3, current density CD = 1376 A/cm2, power density PD = 124 MW/cm3) are also realized in the ceramics after doping. By investigating the evolution of crystal structure and domain structure, complex impedance and first-principle calculations, the internal mechanism of obtaining superior energy storage properties is analyzed. Thus, this research proves that the ceramics can effectively broaden the temperature range of the applications for the pulsed power systems while maintaining high energy storage properties, which offers a valuable approach for the improvement of dielectric capacitors.
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