Single‐Crystalline BaZr0.2Ti0.8O3 Membranes Enabled High Energy Density in PEI‐Based Composites for High‐Temperature Electrostatic Capacitors

材料科学 电介质 聚醚酰亚胺 电容器 复合材料 电场 高-κ电介质 氮化硼 大气温度范围 光电子学 电气工程 电压 聚合物 工程类 气象学 物理 量子力学
作者
Haixia Liu,Wenxuan Zhu,Qi Mao,Bin Peng,Yiwei Xu,Guohua Dong,Bohan Chen,Ruobo Peng,Yanan Zhao,Ziyao Zhou,Sen Yang,Houbing Huang,Ming Liu
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:35 (22) 被引量:15
标识
DOI:10.1002/adma.202300962
摘要

Dielectric capacitors are promising for high power energy storage, but their breakdown strength (Eb ) and energy density (Ue ) usually degrade rapidly at high temperatures. Adding boron nitride (BN) nanosheets can improve the Eb and high-temperature endurance but with a limited Ue due to its low dielectric constant. Here, freestanding single-crystalline BaZr0.2 Ti0.8 O3 (BZT) membranes with high dielectric constant are fabricated, and introduced into BN doped polyetherimide (PEI) to obtain laminated PEI-BN/BZT/PEI-BN composites. At room temperature, the composite shows a maximum Ue of 17.94 J cm-3 at 730 MV m-1 , which is more than two times the pure PEI. Particularly, the composites exhibit excellent dielectric-temperature stability between 25 and 150 °C. An outstanding Ue = 7.90 J cm-3 is obtained at a relatively large electric field of 650 MV m-1 under 150 °C, which is superior to the most high-temperature dielectric capacitors reported so far. Phase-field simulation reveals that the depolarization electric field generated at the BZT/PEI-BN interfaces can effectively reduce carrier mobility, leading to the remarkable enhancement of the Eb and Ue over a wide temperature range. This work provides a promising and scalable route to develop sandwich-structured composites with prominent energy storage performances for high-temperature capacitive applications.
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