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Comprehensive energy-storage performance enhancement in relaxor anti-ferroelectrics via strengthening local polarization

材料科学 储能 电介质 极化(电化学) 电容器 脉冲功率 铁电性 电压 功率密度 反铁电性 光电子学 工程物理 纳米技术 电气工程 功率(物理) 工程类 化学 热力学 物理 物理化学
作者
Wenjing Bi,Limiao Li,Gang Tian,Jigong Hao,Xiao Zhai,Hairui Bai,Juan Du,Chong Chen,Wei Li,Limei Zheng
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier BV]
卷期号:478: 147383-147383 被引量:26
标识
DOI:10.1016/j.cej.2023.147383
摘要

Lead-free dielectric capacitors with excellent energy-storage performance have gained much attention for their remarkable potential applications in pulsed power electronic systems and devices. However, the large recoverable energy-storage density Wrec is usually accompanied with low efficiency η, hindering their practical applications. Such performance deterioration occurs because the large polarization is generally linked with strong reversal hysteresis, making the synergetic optimization of energy-storage density and efficiency a great challenge. Here we develop a strategy of constructing strengthened local polarization in the lead-free relaxor anti-ferroelectric ceramics 0.9NaNbO3-0.1Bi(Ni2/3Nb1/3)O3 by carefully manipulating the microstructures, the ultrahigh Wrec ∼ 11.2 J/cm3 and large η ∼ 90.5 % have been simultaneously achieved. Moreover, superior charge/discharge performances (power density PD ∼ 548 WM/cm3, discharge speed t0.9 ∼ 27 ns) and outstanding temperature (up to 160 °C) and cycling (up to 106) stabilities are also ensured. The excellent overall properties are mainly attributed to the stabilized antiferroelectric phase, the strong relaxation characteristic, as well as the enhanced local polarization in the polar nano-regions (PNRs) caused by the introduction of Bi(Ni2/3Nb1/3)O3. This work not only provides a lead-free system with remarkable energy-storage performance that demonstrates great potential in the application field of high-power pulse electronic devices, but also proposes a convenient and efficient strategy to design new dielectric materials with excellent energy-storage performance.
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