Domain engineered lead-free Bi0.5Na0.5TiO3-Bi(Ni0.5Hf0.5)O3 relaxor ferroelectric ceramics for energy storage with low electric field applications

材料科学 铁电性 铁电陶瓷 储能 陶瓷 领域(数学分析) 电场 工程物理 电介质 光电子学 工程类 复合材料 物理 热力学 数学 量子力学 数学分析 功率(物理)
作者
Yutao Zhang,Xiaohua Zhang,Pei Zhang,Yongqi Zhang,Peng Shi,Zhenxing Yue
出处
期刊:Journal of energy storage [Elsevier BV]
卷期号:84: 110847-110847
标识
DOI:10.1016/j.est.2024.110847
摘要

Lead-free materials for energy storage are increasingly receiving attention due to their exceptional properties of high charging and discharging rates, high power density, and eco-friendliness. In this work, (1−x)Bi0.5Na0.5TiO3-xBi(Ni0.5Hf0.5)O3 (BNT-BNH, x = 0.05, 0.10, 0.15 and 0.20) ceramics were prepared for electrostatic energy storage. P-E loops results show that the introduction of Ni2+ and Hf4+ induces the formation of polar nanoregions (PNRs) and the phase transition from ferroelectric to relaxor ferroelectric in BNT ceramics. Transmission Electron Microscopy directly confirm the increase of crystal plane spacing implies a good solid solution of BNT-BNH, and the number of spherical PNRs increases significantly with increasing the BNH content. Herein, a recoverable energy storage density of 2.68 J/cm3 and relative efficiency of 72.1 % are achieved for 0.8BNT-0.2BNH ceramics under 210 kV/cm. The 0.8BNT-0.2BNH ceramics also exhibit a fast discharge rate (t0.9 = 76 ns), high current density (403.1 A/cm2), and high power density (12.85 MW/cm3), which illustrates that BNT-BNH material systems have good application potential in electrostatic energy storage.
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