Simultaneously realizing ultrahigh energy storage density and efficiency in BaTiO3-based dielectric ceramics by creating highly dynamic polar nanoregions and intrinsic conduction

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作者
Changbai Long,Wenjie Zhou,Huiming Song,Kun Zheng,Wei Ren,Haijun Wu,Xiangdong Ding,Laijun Liu
出处
期刊:Acta Materialia [Elsevier BV]
卷期号:256: 119135-119135 被引量:123
标识
DOI:10.1016/j.actamat.2023.119135
摘要

Nowadays, it is urgent to explore advanced and eco-friendly energy storage capacitors based on lead-free relaxor ferroelectric (RFE) ceramics in order to meet the ever-increasing requirements in pulsed power systems. BaTiO3 (BT)-based RFE ceramics are considered as ones of the best high-temperature energy storage materials due to their good thermal stability. However, relatively low recoverable energy storage density (Wrec<5 J/cm3) has been a key bottleneck restricting the practical applications of them. Here, a novel strategy is proposed to create highly dynamic PNRs and the intrinsic conduction by introducing Bi(M1-0.015xTa0.015x)O3+0.015x (BMO-Ta, M=Mg2/3Ta1/3) to BT matrix. As a consequence, the designed (1-x)BT-x(BMO-Ta) ceramics exhibit dramatically enhanced energy storage properties including ultrahigh Wrec and efficiency (η), because of the coexistence of very slim polarization hysteresis (P-E) loops, large polarization difference (ΔP) and giant dielectric breakdown electric strength (Eb). Wrec and η of the x=0.25 ceramic reach up to 9.03 J/cm3 and 95.2% under 720 kV/cm, respectively. Furthermore, it shows excellent temperature/frequency/cycling stability over a wide range of 20−200 °C, 1−500 Hz and 1−3.3 × 105 cycles, respectively (the variations of Wrec and η are < 3% and < 4%, respectively). The findings in this paper not only indicate excellent comprehensive properties achieved in the novel (1-x)BT-x(BMO-Ta) system, but also provide an effective approach to explore advanced energy storage capacitors in other lead-free ceramic systems.
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