Outstanding Energy-Storage Density Together with Efficiency of above 90% via Local Structure Design

化学 储能 计算化学 热力学 物理 功率(物理)
作者
Huajie Luo,Zheng Sun,Ji Zhang,Hailong Xie,Yonghao Yao,Tianyu Li,Chenjie Lou,Huashan Zheng,Na Wang,Shiqing Deng,Lifeng Zhu,Jue Liu,J. Neuefeind,Matthew G. Tucker,Mingxue Tang,Hui Liu,Jun Chen
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (1): 460-467 被引量:19
标识
DOI:10.1021/jacs.3c09805
摘要

Dielectric ceramic capacitors with high recoverable energy density (Wrec) and efficiency (η) are of great significance in advanced electronic devices. However, it remains a challenge to achieve high Wrec and η parameters simultaneously. Herein, based on density functional theory calculations and local structure analysis, the feasibility of developing the aforementioned capacitors is demonstrated by considering Bi0.25Na0.25Ba0.5TiO3 (BNT–50BT) as a matrix material with large local polarization and structural distortion. Remarkable Wrec and η of 16.21 J/cm3 and 90.5% have been achieved in Bi0.25Na0.25Ba0.5Ti0.92Hf0.08O3 via simple chemical modification, which is the highest Wrec value among reported bulk ceramics with η greater than 90%. The examination results of local structures at lattice and atomic scales indicate that the disorderly polarization distribution and small nanoregion (∼3 nm) lead to low hysteresis and high efficiency. In turn, the drastic increase in local polarization activated via the ultrahigh electric field (80 kV/mm) leads to large polarization and superior energy storage density. Therefore, this study emphasizes that chemical design should be established on a clear understanding of the performance-related local structure to enable a targeted regulation of high-performance systems.
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