Ultrahigh Energy Storage in Tungsten Bronze Dielectric Ceramics Through a Weakly Coupled Relaxor Design

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作者
Yangfei Gao,Wenjing Qiao,Xiaojie Lou,Zizheng Song,Xiaopei Zhu,Liqiang He,Bian Yang,Yanhua Hu,Jinyou Shao,Danyang Wang,Zibin Chen,Shujun Zhang
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:36 (11) 被引量:28
标识
DOI:10.1002/adma.202310559
摘要

Abstract Dielectric energy‐storage capacitors, known for their ultrafast discharge time and high‐power density, find widespread applications in high‐power pulse devices. However, ceramics featuring a tetragonal tungsten bronze structure (TTBs) have received limited attention due to their lower energy‐storage capacity compared to perovskite counterparts. Herein, a TTBs relaxor ferroelectric ceramic based on the Gd 0.03 Ba 0.47 Sr 0.485‐1.5 x Sm x Nb 2 O 6 composition, exhibiting an ultrahigh recoverable energy density of 9 J cm −3 and an efficiency of 84% under an electric field of 660 kV cm −1 is reported. Notably, the energy storage performance of this ceramic shows remarkable stability against frequency, temperature, and cycling electric field. The introduction of Sm 3+ doping is found to create weakly coupled polar nanoregions in the Gd 0.03 Ba 0.47 Sr 0.485 Nb 2 O 6 ceramic. Structural characterizations reveal that the incommensurability parameter increases with higher Sm 3+ content, indicative of a highly disordered A‐site structure. Simultaneously, the breakdown strength is also enhanced by raising the conduction activation energy, widening the bandgap, and reducing the electric field‐induced strain. This work presents a significant improvement on the energy storage capabilities of TTBs‐based capacitors, expanding the material choice for high‐power pulse device applications.
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