Superior Energy-Storage Properties in Bi0.5Na0.5TiO3-Based Lead-Free Ceramics via Simultaneously Manipulating Multiscale Structure and Field-Induced Structure Transition

材料科学 反铁电性 陶瓷 相界 铁电性 极化(电化学) 磁滞 相(物质) 光电子学 凝聚态物理 复合材料 电介质 物理化学 物理 有机化学 化学
作者
Yi Zhang,Aiwen Xie,Jian Fu,Xuewen Jiang,Tianyu Li,Cong Zhou,Ruzhong Zuo
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:14 (35): 40043-40051 被引量:44
标识
DOI:10.1021/acsami.2c11318
摘要

Pratical applications have put forward great challenges to the comprehensive energy-storage performance of ceramic material. Here, a novel route of simultaneously manipulating multiscale structure and the field-induced structural transformation in (Bi0.5Na0.5)TiO3-based ceramics is proposed to address the above concern. The multiscale structure of 0.88(Bi0.5Na0.5)TiO3-0.12BaTiO3 solid solutions such as grain and domain size, band gap, and phase structure can be adjusted by adding antiferroelectric NaNbO3. Simultaneously, a field-induced P4bm relaxor antiferroelectric to P4mm ferroelectric phase transformation can be obtained by constructing a P4mm-P4bm phase boundary, which is expected to require a lower energy barrier compared with the field-induced P4bm relaxor antiferroelectric to R3c ferroelectric transformation in other (Bi0.5Na0.5)TiO3-based ceramics. The optimized field-induced structural transformation behavior and the formation of nanodomains enables a minimized polarization hysteresis but an enhanced maximum polarization. Moreover, the decreased grain size together with increased band gap leads to a significantly improved breakdown strength. Accordingly, a giant energy density Wrec ∼ 8.0 J/cm3, a high efficiency η ∼ 86%, a short discharging time t0.9 ∼ 41 ns, and a good temperature stability (Wrec = 1.32 ± 0.12 J/cm3, η = 88.5% ± 2.5% @ 25-200 °C) are simultaneously obtained in 0.63(Bi0.5Na0.5)TiO3-0.12BaTiO3-0.25NaNbO3 relaxor antiferroelectric ceramics, demonstrating large potentials for the ceramic capacitor applications.
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