Bi0.5Na0.5TiO3-based energy storage ceramics with excellent comprehensive performance by constructing dynamic nanoscale domains and high intrinsic breakdown strength

材料科学 纳米尺度 储能 陶瓷 工程物理 纳米技术 光电子学 复合材料 工程类 功率(物理) 物理 量子力学
作者
Changbai Long,Zhen Su,An Xu,Haihong Huang,Laijun Liu,Long Gu,Wei Ren,Haijun Wu,Xiangdong Ding
出处
期刊:Nano Energy [Elsevier]
卷期号:: 109493-109493
标识
DOI:10.1016/j.nanoen.2024.109493
摘要

Lead-free ceramic-based dielectric capacitors show huge potential in electrical energy storage in pulsed power systems due to their fast charge/discharge rate, ultrahigh power density and environmental friendliness. However, unsatisfied charge/discharge performance characterized by inferior recoverable energy storage density (Wrec generally <5 J/cm3) has become a key bottleneck to restrict their applications in cutting-edge energy storage devices. In this paper, we focus on simultaneously realizing ultrahigh Wrec and efficiency (ƞ) in eco-friendly Bi0.5Na0.5TiO3 (BNT)-based dielectric ceramics via chemical doping. Interestingly, highly dynamic polar nanoregions (PNRs) and nanodomains are constructed by incorporating Sr0.7Nd0.2TiO3 (SNT) into 0.94BNT-0.06BaTiO3. Of great importance, the resulting relaxor ferroelectrics (RFEs) exhibit high bulk resistivity, submicron grain size and wide band gap due to high level of SNT doping accompanying with 1 at. % Nb donor doping. Therefore, excellent energy storage properties with ultrahigh Wrec∼8.08 J/cm3 and ƞ∼92.1% are achieved due to coexistence of large polarization difference (ΔP=Pmax−Pr) and giant dielectric breakdown electric field (Eb∼540 kV/cm). Furthermore, excellent temperature/frequency/cycling stability characterized by ΔWrec < ±4% and Δη < ±2% ensure the energy storage applications of the studied dielectric ceramics over an enormous range of scales.
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