Superior Capacitive Energy-Storage Performance in Pb-Free Relaxors with a Simple Chemical Composition

极地的 化学 铁电性 极化(电化学) 储能 化学物理 纳米技术 光电子学 材料科学 电介质 热力学 物理 天文 物理化学 功率(物理)
作者
Zheng Sun,Ji Zhang,Huajie Luo,Yonghao Yao,Na Wang,Liang Chen,Tianyu Li,Changzheng Hu,He Qi,Shiqing Deng,Leighanne C. Gallington,Yuanpeng Zhang,Jöerg C. Neuefeind,Hui Liu,Jun Chen
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:145 (11): 6194-6202 被引量:127
标识
DOI:10.1021/jacs.2c12200
摘要

Chemical design of lead-free relaxors with simultaneously high energy density (Wrec) and high efficiency (η) for capacitive energy-storage has been a big challenge for advanced electronic systems. The current situation indicates that realizing such superior energy-storage properties requires highly complex chemical components. Herein, we demonstrate that, via local structure design, an ultrahigh Wrec of 10.1 J/cm3, concurrent with a high η of 90%, as well as excellent thermal and frequency stabilities can be achieved in a relaxor with a very simple chemical composition. By introducing 6s2 lone pair stereochemical active Bi into the classical BaTiO3 ferroelectric to generate a mismatch between A- and B-site polar displacements, a relaxor state with strong local polar fluctuations can be formed. Through advanced atomic-resolution displacement mapping and 3D reconstructing the nanoscale structure from neutron/X-ray total scattering, it is revealed that the localized Bi enhances the polar length largely at several perovskite unit cells and disrupts the long-range coherent Ti polar displacements, resulting in a slush-like structure with extremely small size polar clusters and strong local polar fluctuations. This favorable relaxor state exhibits substantially enhanced polarization, and minimized hysteresis at a high breakdown strength. This work offers a feasible avenue to chemically design new relaxors with a simple composition for high-performance capacitive energy-storage.
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