BaTiO3-based lead-free relaxor ferroelectric ceramics for high energy storage

材料科学 电介质 储能 电容器 钛酸钡 陶瓷 弛豫铁电体 铁电性 复合材料 光电子学 电压 功率(物理) 电气工程 热力学 物理 工程类
作者
Rong Lang,Qifan Chen,Tingting Gao,Jianguo Zhu,Jiadi Xing,Qiang Chen
出处
期刊:Journal of The European Ceramic Society [Elsevier]
标识
DOI:10.1016/j.jeurceramsoc.2024.01.004
摘要

Barium titanate (BaTiO3, BT) is widely used in capacitors because of its excellent dielectric properties. However, owing to its high remanent polarisation (Pr) and low dielectric breakdown field strength (Eb), achievement of high energy storage performance is challenging. Herein, a systematic strategy was proposed to reduce Pr and elevate Eb of BT via: (i) modification of the relaxor behavior by alloying it with Bi(Mg2/3Ta1/3)O3 (BMT) and (ii) heightening Eb by introducing NaTaO3 (NT) with high band gap. Consequently, the energy storage efficiency (η) of 90% and high Eb of 780 kV·cm−1 were achieved simultaneously for the BT-BMT-xNT system, which facilitated the recoverable energy density (Wrec) of 6.02 J·cm−3. At 300 kV·cm−1, its temperature (20–120 °C) and frequency (1–500 Hz) stabilities were found to be good. Moreover, the BT-BMT-0.15NT possessed ultrafast discharge rate (t0.9 < 51 ns) and ultrahigh power density (PD > 94 MW·cm−3). This study offers an effective strategy for the design of novel high-performance dielectric energy storage materials.
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