A Superparaelectric State in Relaxor Ferroelectric (Sr,Bi)TiO3-Bi(Mg,Ti)O3-Modified BaTiO3 Ceramics to Achieve High Energy Storage Performance

材料科学 铁电性 电介质 储能 陶瓷 相界 四方晶系 拉曼光谱 分析化学(期刊) 相(物质) 光电子学 复合材料 热力学 光学 化学 功率(物理) 有机化学 物理
作者
Il‐Ryeol Yoo,Seong-Hui Choi,Je-Yeon Park,Minseok Kim,Arun Kumar Yadav,Kyung Hoon Cho
出处
期刊:Materials [MDPI AG]
卷期号:17 (2): 426-426
标识
DOI:10.3390/ma17020426
摘要

Dielectric ceramic capacitors are highly regarded for their rapid charge–discharge, high power density, and cyclability in various advanced applications. However, their relatively low energy storage density has prompted intensive research aiming at developing materials with a higher energy density. To enhance energy storage properties, research has focused on modifying ferroelectric materials to induce relaxor ferroelectricity. The present study aims to induce a superparaelectric (SPE) state in relaxor ferroelectrics near room temperature by altering BaTiO3 ferroelectric ceramics using the (Sr,Bi)TiO3-Bi(Mg0.5Ti0.5)O3 system ((1−x)BT-x(SBT-BMT)). X-ray diffraction and Raman spectroscopy analysis demonstrated a shift in the crystal structure from tetragonal to cubic with an increasing x content. Notably, the compositions (except x = 0.1) satisfied the criteria for the SPE state manifestation near room temperature. The x = 0.2 specimen displayed characteristics at the boundary between the relaxor ferroelectric and SPE phases, while x ≥ 0.3 specimens exhibited increased SPE state fractions. Despite reduced maximum polarization, x ≥ 0.3 specimens showcased impressive energy storage capabilities, attributed to the enhanced SPE state, especially for x = 0.3, with impressive characteristics: a recoverable energy density (Wrec) of ~1.12 J/cm3 and efficiency (η) of ~94% at 170 kV/cm applied field. The good stability after the charge–discharge cycles reinforces the significance of the SPE phase in augmenting energy storage in relaxor ferroelectric materials, suggesting potential applications in high-energy density storage devices.
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