Achieving excellent energy storage performance at moderate electric field in Ca0.85Bi0.05Sm0.05TiO3-modified BiFeO3-based relaxor ceramics via multiple synergistic design

材料科学 电场 电容器 陶瓷 储能 极化(电化学) 热稳定性 饱和(图论) 复合材料 电压 光电子学 电气工程 化学工程 热力学 化学 物理化学 量子力学 组合数学 工程类 功率(物理) 物理 数学
作者
Shuo Liu,Wuwei Feng,Jinhong Li,Bin Tang,Hu Cheng,Yi Zhong,Bin He,Dengjie Luo
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier BV]
卷期号:470: 144086-144086 被引量:53
标识
DOI:10.1016/j.cej.2023.144086
摘要

Lead-free BiFeO3-based capacitors have attracted considerable attention owing to their excellent energy storage potential. Herein, we report 0.7(0.67BiFeO3–0.33BaTiO3)–0.3Ca0.85Bi0.05Sm0.05TiO3 (BF–BT–CBST) relaxor ceramics with an excellent recoverable energy density (5.26 J/cm3) and high efficiency (82.4%) at 300 kV/cm, which is the optimal energy storage performance under moderate electric field among lead-free ceramic capacitors. The introduction of CBST suppressed the early polarization saturation of BF-based ceramics while maintaining a particularly high polarization of 41.5 μC/cm2 under 300 kV/cm. In addition, the refined grain size and increased bandgap improved the breakdown electric field. BF–BT–CBST ceramics demonstrated a record-breaking discharge rate of t0.9 ∼ 27 ns due to the generation of highly dynamic polar nanoregions that are sensitive to electric fields. CBST-modified ceramics also showed outstanding thermal stability (25 °C–160 °C), frequency stability (1–300 Hz), and fatigue endurance (105 cycles). Our results indicate that CBST facilitates the preservation of high polarization and is a good additive for the BF-based energy storage materials and may also be applied in other material systems.
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