Ultrahigh Energy-Storage Performances in Lead-free Na0.5Bi0.5TiO3-Based Relaxor Antiferroelectric Ceramics through a Synergistic Design Strategy

材料科学 陶瓷 储能 反铁电性 四方晶系 电介质 相(物质) 光电子学 工程物理 纳米技术 铁电性 功率(物理) 复合材料 热力学 物理 工程类 有机化学 化学
作者
Tianyu Li,Xuewen Jiang,Jun Li,Aiwen Xie,Jian Fu,Ruzhong Zuo
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:14 (19): 22263-22269 被引量:49
标识
DOI:10.1021/acsami.2c01287
摘要

Dielectric ceramics with outstanding energy-storage performances are nowadays in great demand for pulsed power electronic systems. Here, we propose a synergistic design strategy to significantly enhance the energy-storage properties of (1 - x)(0.94Na0.5Bi0.5TiO3-0.06BaTiO3)-xCaTi0.75Ta0.2O3 solid solution ceramics through introducing polar nanoregions, shifting rhombohedral to tetragonal phase transition below room temperature (stable antiferroelectric characteristic), as well as increasing the band gap in the system. Ultrahigh energy-storage properties with a record value of recoverable energy-storage density Wrec ∼ 9.55 J/cm3 and a high efficiency η ∼ 88% are achieved in Na0.5Bi0.5TiO3-based bulk ceramics with x = 0.24. Moreover, high Wrec (>3.4 J/cm3) and η (>90%) with a variation of less than 6% can be observed in a wide frequency and temperature frequency range of 5-200 Hz and 25-140 °C. Our research result not only indicates the great possibility of Na0.5Bi0.5TiO3-based lead-free compositions to replace lead-based energy-storage ceramics but also gives an effective strategy to design ultrahigh energy-storage performances for eco-friendly ceramics.
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