Improving energy storage performance of barium titanate-based ceramics by doping MnO2

材料科学 烧结 陶瓷 微观结构 电介质 兴奋剂 钛酸钡 复合材料 粒度 储能 矿物学 光电子学 化学 功率(物理) 物理 量子力学
作者
Jun Sun,Guiwei Yan,Bijun Fang,Xiangyong Zhao,Shuai Zhang,Xiaolong Lu,Jianning Ding
出处
期刊:Journal of energy storage [Elsevier]
卷期号:78: 110007-110007 被引量:20
标识
DOI:10.1016/j.est.2023.110007
摘要

MnO2 was used as a sintering additive to reduce sintering temperature of the 0.92(Ba0.94Li0.02La0.04)(Mg0.04Ti0.96)O3-0.08Bi(Zn1/2Ti1/2)O3 (0.92BLLMT-0.08BZT) ceramic thick film and promote sintering process. At the same time, MnO2 doping is beneficial for reducing dielectric loss and leakage current, and improving insulation performance, thus, breakdown field strength (BDS) of ceramics is increased. In addition, MnO2 doping introduces defect energy levels, and increases lattice distortion and polarization intensity, thereby changing the crystal structure and microstructure morphology, and improving energy storage density and thermal stability. The BDS reaches 650 kV/cm electric field with 0.5 mol% MnO2 doping, where the ceramic thick film achieves a discharge density (Wdis) of 5.51 J/cm3, ultra-high power density (PD = 443.87 MW/cm3) and current density (CD = 1365.74 A/cm2). The ceramic thick film exhibits good thermal stability with Wdis change rate of only 16.47 % within room temperature to 170 °C under 200 kV/cm. Such excellent comprehensive performance can be attributed to the decrease of grain size, defect concentration, and leakage current, and the formation of polar nano regions in the BT-based ceramics caused by MnO2 doping and cations substitution at A-site and B-site of the perovskite structure. This study provides valuable insights for the research of lead-free dielectric ceramic capacitors, and the 0.92BLLMT-0.08BZT-0.5 mol% Mn ceramic thick film presents good development prospect in high-power pulse energy storage system.
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