Metadielectrics for high-temperature energy storage capacitors

电容器 储能 计算机科学 材料科学 电气工程 物理 工程类 热力学 电压 功率(物理)
作者
Rui Lu,Jian Wang,Tingzhi Duan,Tian Hu,Guangliang Hu,Yupeng Liu,W. N. Fu,Qinghua Han,Yiqin Lu,Lu Lu,Shao‐Dong Cheng,Yanzhu Dai,Dengwei Hu,Zhonghui Shen,Chun‐Lin Jia,Ming Liu,Ming Liu
出处
期刊:Nature Communications [Springer Nature]
卷期号:15 (1)
标识
DOI:10.1038/s41467-024-50832-w
摘要

Dielectric capacitors are highly desired for electronic systems owing to their high-power density and ultrafast charge/discharge capability. However, the current dielectric capacitors suffer severely from the thermal instabilities, with sharp deterioration of energy storage performance at elevated temperatures. Here, guided by phase-field simulations, we conceived and fabricated the self-assembled metadielectric nanostructure with HfO2 as second-phase in BaHf0.17Ti0.83O3 relaxor ferroelectric matrix. The metadielectric structure can not only effectively increase breakdown strength, but also broaden the working temperature to 400 oC due to the enhanced relaxation behavior and substantially reduced conduction loss. The energy storage density of the metadielectric film capacitors can achieve to 85 joules per cubic centimeter with energy efficiency exceeding 81% in the temperature range from 25 °C to 400 °C. This work shows the fabrication of capacitors with potential applications in high-temperature electric power systems and provides a strategy for designing advanced electrostatic capacitors through a metadielectric strategy. Dielectric capacitors known for high-power density and fast charging/discharging suffer from thermal stability and failure at high temperatures. Here, a metadielectric strategy is used to fabricate thermally stable high temperature film capacitors.
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