Local Polymorphic Nanoclusters Enhanced Capacitive Energy Storage in Lead-Free Superparaelectrics

纳米团簇 材料科学 电容器 电介质 光电子学 小型化 储能 极化(电化学) 功率密度 脉冲功率 电容感应 纳米技术 饱和(图论) 电场 电容 本地字段 电压 超级电容器
作者
Ruiyu Wang,Yongxiao Zhou,Haoyu Wang,Chang Zhou,Huifen Yu,Yunxuan Ji,Yuming Zhang,Xiaoming Shi,Qi He,Liang Chen,Jun Chen
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:19 (49): 41648-41657 被引量:4
标识
DOI:10.1021/acsnano.5c13939
摘要

Lead-free dielectric capacitors with a high power density and fast discharge speed are the core components for next-generation pulse power systems. However, the low energy storage density and efficiency limit the development of devices toward miniaturization and low power consumption. In this work, guided by phase-field simulation, we introduce low-tolerance-factor components composed of multielements to significantly enhance random fields for regulating the local structure, resulting in the formation of local polymorphic nanoclusters with ultrasmall sizes of 1–2 nm, which can be identified by atomic-resolution scanning transmission electron microscopy. Through controlling this distinctive polarization configuration, high polarization fluctuations, low hysteresis, and delayed polarization saturation behavior under ultrahigh electric fields can be achieved, which contribute to an ultrahigh energy density of 11.6 J cm –3 with an exceptional efficiency of 92% in BaTiO 3 -based lead-free superparaelectrics. This work demonstrates that the strategy of local polymorphic nanoclusters is effective in developing advanced dielectric capacitors with excellent energy storage properties.
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