Tape‐Casting Lead‐Free Dielectrics Permit Superior Capacitive Energy Storage Performance

材料科学 储能 铅(地质) 电容感应 电介质 流延 铸造 光电子学 复合材料 电气工程 陶瓷 功率(物理) 工程类 物理 量子力学 地貌学 地质学
作者
Fei Yan,Simin Wang,Jin Qian,Zhikun Zheng,Long Gu,Jinming Guo,Jiwei Zhai
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
标识
DOI:10.1002/aenm.202403535
摘要

Abstract Dielectric capacitors have garnered significant attention for their promising attributes in advanced pulse power systems of the future, owing to their rapid charge/discharge capabilities, high power density, and remarkable stability. Whereas environmentally friendly lead‐free ceramics are facing serious challenges of low breakdown strength, poor energy storage density, and/or conversion efficiency, which has been an obstacle to developing desirable dielectric capacitors. In this study, high‐quality ultrathin (<20 µm) lead‐free ceramic dielectrics are successfully produced via the tape‐casting method. The local structural characteristics of these ceramics are verified using piezoresponse force microscopy and aberration‐corrected scanning transmission electron microscopy. By introducing Ta 5+ ions into Bi 0.39 Na 0.36 Sr 0.25 TiO 3 ceramics, the polar clusters tend to decrease together while the maximum applied electric field tends to increase. This phenomenon can be attributed to the decreased grain size and complex polar structure characterized by extremely small polar clusters, enabling the simultaneous achievement of high applied electric field, large polarization, and minimized polarization hysteresis. Notably, the tape‐casted lead‐free ceramics exhibited exceptional comprehensive energy storage performance with a recoverable energy storage density of ≈10.06 J cm −3 and an efficiency of ≈93% under a high electric field of 915 kV cm −1 , surpassing the capabilities of most reported lead‐free ceramics. This work offers a viable solution for developing lead‐free ceramic dielectrics with outstanding energy storage capabilities.
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