Boosting energy-storage performance in lead-free ceramics via polyphase engineering in the superparaelectric state

多相系统 电介质 储能 陶瓷 材料科学 工程物理 电子工程 光电子学 电气工程 工程类 复合材料 物理 热力学 功率(物理)
作者
Wenjun Cao,Pengfei Chen,Renju Lin,Feng Li,Binghui Ge,Dongsheng Song,Zhenxiang Cheng,Chunchang Wang
出处
期刊:Composites Part B-engineering [Elsevier]
卷期号:255: 110630-110630 被引量:78
标识
DOI:10.1016/j.compositesb.2023.110630
摘要

Dielectric energy storage devices are important components of high-power and pulsed electronic systems. High recoverable energy density (Wrec) and high efficiency (ƞ) are critical parameters for such applications. In this work we propose a strategy of polyphase engineering in the superparaelectric (SPE) state to achieve high-performance energy storage. Through careful engineering of the proportions of rhombic (R) phase and tetragonal (T) phase by a linear dielectric additive, CaTi0.8Hf0.2O3 (CTH), in 0.94Na0.5Bi0.5TiO3-0.06BaTiO3-based ceramics, the SPE state can be shifted to ambient temperature when R/T ≤ 0.16. Thanks to the features of isolated polar nano-domains (PNRs) and the fine P-E hysteresis loop of the SPE state, an ultrahigh Wrec of 8.91 J/cm3 and high ƞ of 78.4% are achieved in our 0.75(0.94Na0.5Bi0.5TiO3-0.06BaTiO3)-0.25CaTi0.8Hf0.2O3 sample. The sample was also characterized by excellent temperature and frequency stability, achieving ultra-high power density (178 MW/cm3) and ultra-fast transient discharge time (40 ns). Our work proves that polyphase engineering in the SPE state is a powerful approach to the design of dielectric energy storage materials with high performance.
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