Optimizing high-temperature energy storage in tungsten bronze-structured ceramics via high-entropy strategy and bandgap engineering

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作者
Yangfei Gao,Zizheng Song,Haichao Hu,Junwen Mei,Ruirui Kang,Xiaopei Zhu,Bian Yang,Jinyou Shao,Zibin Chen,Fei Li,Shujun Zhang,Xiaojie Lou
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:15 (1) 被引量:62
标识
DOI:10.1038/s41467-024-50252-w
摘要

Abstract As a vital material utilized in energy storage capacitors, dielectric ceramics have widespread applications in high-power pulse devices. However, the development of dielectric ceramics with both high energy density and efficiency at high temperatures poses a significant challenge. In this study, we employ high-entropy strategy and band gap engineering to enhance the energy storage performance in tetragonal tungsten bronze-structured dielectric ceramics. The high-entropy strategy fosters cation disorder and disrupts long-range ordering, consequently regulating relaxation behavior. Simultaneously, the reduction in grain size, elevation of conductivity activation energy, and increase in band gap collectively bolster the breakdown electric strength. This cascade effect results in outstanding energy storage performance, ultimately achieving a recoverable energy density of 8.9 J cm −3 and an efficiency of 93% in Ba 0.4 Sr 0.3 Ca 0.3 Nb 1.7 Ta 0.3 O 6 ceramics, which also exhibit superior temperature stability across a broad temperature range up to 180 °C and excellent cycling reliability up to 10 5 . This research presents an effective method for designing tetragonal tungsten bronze dielectric ceramics with ultra-high comprehensive energy storage performance.
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