Superior Energy‐Storage Capacitors with Simultaneously Giant Energy Density and Efficiency Using Nanodomain Engineered BiFeO3‐BaTiO3‐NaNbO3 Lead‐Free Bulk Ferroelectrics

材料科学 电容器 铁电性 储能 功率密度 压电响应力显微镜 电介质 热稳定性 纳米技术 光电子学 电气工程 热力学 电压 化学工程 物理 工程类 功率(物理)
作者
He Qi,Aiwen Xie,Ao Tian,Ruzhong Zuo
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:10 (6) 被引量:397
标识
DOI:10.1002/aenm.201903338
摘要

Abstract Dielectric capacitors are receiving a great deal of attention for advanced pulsed power owing to their high power density and quick charge/discharge rate. However, the energy density is limited and the efficiency and the thermal stability are also not ideal, which has been a longstanding obstacle to developing desirable dielectric materials. These concerns have are addressed herein by fabricating nanodomain‐engineered BiFeO 3 ‐BaTiO 3 ‐NaNbO 3 bulk ferroelectrics, integrating a high‐spontaneous‐polarization gene, wide band gaps, and a heterogeneous nanodomain structure, generating record‐excellent comprehensive performance of giant energy‐storage density W rec ≈8.12 J cm −3 , high efficiency η ≈90% and excellent thermal stability (±10%, −50 to 250 °C) and ultrafast discharge rate ( t 0.9 < 100 ns). Significantly enhanced dielectric breakdown strength of BiFeO 3 ‐based solid solutions is mainly attributed to the substitution of NaNbO 3 , which provides an increased band gap, refined grain size, and increased resistivity. The formation of nanoscale domains as evidenced by piezoresponse force microscopy and transmission electron microscopy enables nearly hysteresis‐free polarization‐field response and temperature‐insensitive dielectric response. In comparison with antiferroelectric capacitors, the current work provides a new solution to successfully design next‐generation pulsed power capacitors by fully utilizing relaxor ferroelectrics in energy‐storage efficiency and thermal stability.
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