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Ultra-High Energy Storage Performance in BNT-based Ferroelectric Ceramics with Simultaneously Enhanced Polarization and Breakdown Strength

材料科学 铁电性 电介质 烧结 陶瓷 储能 极化(电化学) 介电常数 复合材料 光电子学 大气温度范围 分析化学(期刊) 热力学 化学 功率(物理) 物理 物理化学 色谱法
作者
Hang Yang,Ziming Cai,Chaoqiong Zhu,Peizhong Feng,Xiaohui Wang
出处
期刊:ACS Sustainable Chemistry & Engineering [American Chemical Society]
卷期号:10 (28): 9176-9183 被引量:21
标识
DOI:10.1021/acssuschemeng.2c02155
摘要

BNT (Bi0.5Na0.5TiO3)-based ferroelectric ceramics have drawn much attention in energy storage applications due to the high saturation polarization and good temperature stability. However, the reduction of Ti4+ caused by the volatilization of Bi and Na elements during high-temperature sintering is a huge problem. A multivalent element (Mn) is adopted in this work to prevent the reduction of Ti4+ and thus enhance the polarization and breakdown strength simultaneously. Various contents of MnO2-doped 0.76Bi0.5Na0.5TiO3–0.04SrZrO3–0.2NaNbO3 (BNTSZNN) ceramics were prepared by the ramp-to-spike sintering method. As the content of MnO2 increases, the reduction of Ti4+ is effectively decreased, inhibiting the degradation of ferroelectricity and decreasing the leakage conductance. As a result, an ultra-high discharge energy density of 7.05 J/cm3 is achieved in the BNTSZNN-0.15MnO2 ceramic at 387 kV/cm. Importantly, the BNTSZNN-0.15MnO2 ceramic shows excellent temperature stability. The change of the discharge energy density between 30 and 160 °C is less than ±4% under the applied field of 120 kV/cm. Additionally, the variation in the capacitance of the BNTSZNN-0.15 MnO2 ceramic is less than ±15% over the temperature range from −58 to 450 °C, with a high room-temperature dielectric permittivity of 1507. All the above characteristics indicate the potential of BNTSZNN-0.15MnO2 as a high-temperature and high-voltage ceramic dielectric.
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