Excellent energy storage properties in lead-free ferroelectric ceramics via heterogeneous structure design

材料科学 储能 电介质 电容器 铁电性 小型化 计算机数据存储 陶瓷 光电子学 功率密度 纳米技术 工程物理 电气工程 复合材料 电压 计算机科学 功率(物理) 物理 量子力学 工程类 操作系统
作者
Qizhen Chai,Zhaobo Liu,Zhongqi Deng,Zhanhui Peng,Xiaolian Chao,Jiangbo Lu,Houbing Huang,Shujun Zhang,Zupei Yang
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:16 (1) 被引量:11
标识
DOI:10.1038/s41467-025-56767-0
摘要

Abstract Dielectric capacitors with ultrahigh power density have emerged as promising candidates for essential energy storage components in electronic and electrical systems. They enable enhanced integration, miniaturization, and lightweight design. However, the development of dielectric materials for cutting-edge energy storage applications has been significantly limited by their low recoverable energy storage density ( W rec ) and energy efficiency ( η ), especially at moderate electric fields. In this study, we fabricated 0.85K 0.5 Na 0.5 NbO 3 -0.15Sr 0.7 Nd 0.2 ZrO 3 ceramics with an outstanding energy storage performance ( W rec ~ 7 J cm − 3 , η ~ 92% at 500 kV cm − 1 ; W rec ~ 14 J cm − 3 , η ~ 89% at 760 kV cm − 1 ). The exceptional energy storage performance can be primarily attributed to the heterogeneous structure, where orthorhombic and tetragonal polar nanoregions are embedded in a cubic matrix. This work provides a good paradigm for designing dielectric materials with ultrahigh energy storage density and excellent energy efficiency at a moderate applied electric field, aligning with the stringent demands for advanced energy storage applications.
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