Energy storage performance of Na0.5Bi0.5TiO3 based lead-free ferroelectric ceramics prepared via non-uniform phase structure modification and rolling process

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作者
Biao Guo,Yan Yan,Mingyang Tang,Ziyang Wang,Yang Li,Leiyang Zhang,Haibo Zhang,Li Jin,Gang Liu
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier BV]
卷期号:420: 130475-130475 被引量:80
标识
DOI:10.1016/j.cej.2021.130475
摘要

With the rapid growth of electronic devices towards to miniaturization and integration, the Pb-free ceramic materials with excellent recoverable energy storage density and efficiency are extremely required for the real application of pulse power capacitors. Moreover, it is also a huge challenge to sustain excellent energy storage performance in a dynamic temperature. The paper proposed a design strategy for building the co-existence of polymorphic PNRs through phase structure control. Based on the strategy, (1-x)(0.94Bi0.5Na0.5TiO3-0.06BaTiO3)-xBiMg2/3Nb1/3O3 ((BNT-BT)-xBMN) solid-solution was engineered and synthesized to achieve co-existence of tetragonal and rhombohedral phase PNRs in the perovskite structure. The pinch phenomenon of the P-E loops is linked with the phase transition caused by the electrical field. High polarization with limited hysteresis has been achieved, taking advantage of ample hybridization between O2– 2p and Bi3+ 6p orbitals for polarization and increased structural disorder caused by composition modification. With the further enhancement of the electrical breakdown strength by the rolling process, an ultra-high energy density of 6.3 J/cm3, an improved energy efficiency of 79.6% and an excellent temperature stability (Wrec > 5.03 J/cm3, η > 82%, and a small variation of Wrec (less than 10%) in the temperature range of 30 to 170 °C) were achieved. The current work shows that this strategy is very important and successful in the design of high-performance Pb-free dielectric capacitors for real applications in the future.

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