Multiscale structural engineering enables superior energy storage in tetragonal tungsten bronze relaxor ferroelectrics

材料科学 四方晶系 钨 青铜色 陶瓷 工作(物理) 放松(心理学) 储能 粒度 凝聚态物理 相(物质) 电场 铁电陶瓷 复合材料 工程物理 电介质 结构稳定性 失真(音乐) 冶金 领域(数学) 能量(信号处理) 铁电性
作者
Saifei Wang,Juntao Huang,Guangyao Li,Tao Yang,Haihua Huang,Ya-jie Han,Wei Li,Zhenxiang Cheng,He Qi,Mahesh Kumar Joshi,Peng Huai Fu
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:17 (1)
标识
DOI:10.1038/s41467-026-73829-z
摘要

Abstract Lead-free relaxor ferroelectric ceramics are promising for pulsed-power systems due to their ultrafast discharge and high power density, yet their practical use remains limited by low breakdown strength and insufficient energy-storage density. Here, we report Ba 2 La 1 − x Bi x Ti 2 Nb 3 O 15 (BLBTN- x ) ceramics with a tetragonal tungsten bronze structure, which achieve a recoverable energy density of 14.39 J/cm 3 and an efficiency of 87.69% under an ultrahigh field of 1400 kV/cm—the highest performance reported in this material family. By combining experiments, first-principles calculations, and finite-element simulations, we unravel a multiscale structural optimization mechanism. Bi 3+ incorporation induces oxygen-octahedral distortion that disrupts long-range order and enhances relaxation behavior. Concurrent grain refinement and bandgap widening substantially raise the breakdown strength, leading to superior energy-storage properties. Moreover, the material exhibits excellent stability against variations in temperature, frequency, and fatigue cycles. This work establishes a viable design strategy for tetragonal-tungsten-bronze dielectrics with superior energy-storage performance.

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