Demonstration of ultra-high recyclable energy densities in domain-engineered ferroelectric films

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作者
Hongbo Cheng,Jun Ouyang,Yunxiang Zhang,David Ascienzo,Li Yao,Yuyao Zhao,Yuhang Ren
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:8 (1) 被引量:186
标识
DOI:10.1038/s41467-017-02040-y
摘要

Abstract Dielectric capacitors have the highest charge/discharge speed among all electrical energy devices, but lag behind in energy density. Here we report dielectric ultracapacitors based on ferroelectric films of Ba(Zr 0.2 ,Ti 0.8 )O 3 which display high-energy densities (up to 166 J cm –3 ) and efficiencies (up to 96%). Different from a typical ferroelectric whose electric polarization is easily saturated, these Ba(Zr 0.2 ,Ti 0.8 )O 3 films display a much delayed saturation of the electric polarization, which increases continuously from nearly zero at remnant in a multipolar state, to a large value under the maximum electric field, leading to drastically improved recyclable energy densities. This is achieved by the creation of an adaptive nano-domain structure in these perovskite films via phase engineering and strain tuning. The lead-free Ba(Zr 0.2 ,Ti 0.8 )O 3 films also show excellent dielectric and energy storage performance over a broad frequency and temperature range. These findings may enable broader applications of dielectric capacitors in energy storage, conditioning, and conversion.
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