Antiferroelectric Ceramics for Energy‐Efficient Capacitors by Theory‐Guided Discovery

材料科学 电容器 反铁电性 陶瓷 储能 工程物理 陶瓷电容器 纳米技术 光电子学 复合材料 铁电性 电气工程 电介质 电压 量子力学 物理 工程类 功率(物理)
作者
Anand P. S. Gaur,R. N. P. Choudhary,Binzhi Liu,Yaroslav Mudryk,D. D. Johnson,Jun Cui,Xiaoli Tan
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:36 (31): e2312856-e2312856 被引量:9
标识
DOI:10.1002/adma.202312856
摘要

Abstract Antiferroelectric ceramics, via the electric‐field‐induced antiferroelectric (AFE)–ferroelectric (FE) phase transitions, show great promise for high‐energy‐density capacitors. Yet, currently, only 70–80% energy release is found during a charge–discharge cycle. Here, for PbZrO 3 ‐based oxides, geometric nonlinear theory of martensitic phase transitions is applied (first used to guide supercompatible shape‐memory alloys) to predict the reversibility of the AFE–FE transition by using density‐functional theory to assess AFE/FE interfacial lattice‐mismatch strain that assures ultralow electric hysteresis and extended fatigue lifetime. A good correlation of mismatch strain with electric hysteresis, hence, with energy efficiency of AFE capacitors is observed. Guided by theory, high‐throughput material search is conducted and AFE compositions with a near‐perfect charge–discharge energy efficiency (98.2%), i.e., near‐zero hysteresis are discovered. And the fatigue life of the capacitor reaches 79.5 million charge–discharge cycles, a factor of 80 enhancement over AFE ceramics with large electric hysteresis.
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