Realizing Exceptional Energy Storage Performance in Tungsten Bronze-Based Ceramics via Weakly Coupled Relaxor and Grain Boundary Reinforcement Designs

材料科学 陶瓷 晶界 青铜色 储能 工程物理 钢筋 复合材料 冶金 热力学 微观结构 功率(物理) 物理 工程类
作者
Wentao Zhong,Xuyu Liu,Xiangting Zheng,Peng Zheng,J Wang,Linsheng Sheng,Liang Zheng,Qiaolan Fan,Wangfeng Bai,Yang Zhang
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acsami.4c16790
摘要

Dielectric ceramic capacitors play a crucial role in next-generation pulse power systems due to their high power density and rapid charge and discharge capabilities. However, significant challenges persist in achieving large recoverable energy storage density (Wrec). In this work, a tungsten bronze relaxor ferroelectric ceramic is designed based on Sr0.6Ba0.4Nb2O6 (SBN), which exhibits a significant Wrec of approximately 8.74 J·cm–3 and a high efficiency (η) of about 90.9% at 740 kV·cm–1. Structural characterizations reveal that the introduction of Bi3+ and Fe3+ refines the crystal structure and induces substantial incommensurate modulation in the tetragonal tungsten bronze (TTB) lattice, resulting in the emergence of weakly coupled polar nanoregions (PNRs) and enhancing the relaxor behavior. Moreover, the CuO that aggregates near the grain boundary results in a reinforced grain boundary and improves the breakdown field strength (EBDS). This study presents a competitive TTB-based lead-free relaxor ferroelectric ceramic and expands the range of materials available for advanced dielectric ceramic capacitor applications.
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