Ultrahigh Efficiency and Robust Energy Density in Simple Barium Titanate‐Based Lead‐Free Films via Nanocomposite Approach

纳米复合材料 材料科学 钛酸钡 铁电性 电介质 热稳定性 磁滞 钛酸铅 储能 纳米技术 复合材料 光电子学 化学工程 凝聚态物理 功率(物理) 物理 量子力学 工程类
作者
Zhengyang Kong,Xu Wang,Beibei Zhu,Yufan Guo,Jiahang He,Kun Han,Pingfan Chen,F. Chen,Wenbin Wu,Feng Cheng,Zhen Huang,Liqiang Xu
出处
期刊:Small methods [Wiley]
标识
DOI:10.1002/smtd.202401747
摘要

Abstract Relaxor ferroelectric (RFE) films represent promising candidates for high‐performance energy storage applications for miniaturized electronic devices and power systems. However, achieving substantial energy storage performance always involves complex component or structural design. Herein, we employed a nanocomposite approach to obtain ultrahigh‐efficiency and robust energy density in simple BaTiO 3 ‐based lead‐free films. Our lead‐free composition of simple (1‐ x )BaTiO 3 ‐ x CeO 2 (0.0 ≤ x ≤ 0.5) contains only four elements (Ba, Ti, Ce and O). The incorporation of stiff and insulating CeO 2 nanocomposites within BaTiO 3 matrix could disrupt the long‐range‐ordered micrometer‐size domains into short‐range‐ordered nanodomains. This disruption suppresses hysteresis and delays polarization of BaTiO 3 films. Combined with the enhanced breakdown strength, this formulation yielded an ultrahigh efficiency of ≈90% and a robust energy density of 45 ± 3 J cm −3 at CeO 2 contents of x = 0.3 and 0.4. Meanwhile, these two films with x = 0.3 and 0.4 exhibit superior frequency (50 Hz to 2 kHz) and thermal stability (20 °C to 120 °C), demonstrating stable energy storage performance. The proposed strategy opens up a new avenue for designing high‐performance nanocomposite films by incorporating stiff secondary phase embedded in BaTiO 3 or even linear SrTiO 3 dielectrics.
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