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Synergistic Design Strategies Breaking the Energy Storage Trade‐Off in Lead‐Free Dielectrics

材料科学 电容器 电介质 极化(电化学) 铁电性 储能 陶瓷 磁滞 限制 薄膜电容器 光电子学 电场 陶瓷电容器 介电损耗 电压 凝聚态物理 极地的 介电强度 极化密度 铁电陶瓷 高-κ电介质 能量密度 纳米技术 相(物质) 电能
作者
Ruiyi Jing,Leiyang Zhang,Yule Yang,Wanchang Man,Meng Meng,Yunyao Huang,Zibin Chen,Li He,Nanxi Miao,He Qi,Bin Zhou,Xuefeng Chen,Hua Tan,Haibo Zhang,Jie Yang,Zupei Yang,Haibo Yang,Shujun Zhang,Li Jin
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:: e74343-e74343
标识
DOI:10.1002/adma.74343
摘要

ABSTRACT Development of lead‐free dielectric capacitors with simultaneously high recoverable energy‐storage (ES) density ( W rec ) and breakdown strength ( E b ) is hindered by a fundamental constraint; although high E b permits large electric fields, conventional ferroelectrics suffer from premature polarization saturation, limiting further enhancement of W rec . We demonstrate a mechanism‐guided strategy for Bi 0.5 Na 0.5 TiO 3 (BNT)‐based relaxor ferroelectric ceramics, centered on optimized polar nanoregion (PNR) responses and delayed polarization saturation. Phase‐field simulations show that interconnected rhombohedral/tetragonal (R/T)‐related PNRs with appropriate size and dynamic responsiveness can be progressively activated under electric fields, enabling delayed polarization saturation, sustained Δ P growth, and low hysteresis loss. Guided by this mechanism, compositional disorder, R/T phase coexistence are integrated in the BNT‐based system to construct an optimized PNR landscape. The optimized multilayer ceramic capacitors deliver a record ES potential ( ξ = W rec / E b ) of 278 J kV −1 m −2 , together with a high W rec of 26.4 J cm −3 at 950 kV cm −1 and 89% ES efficiency. Atomic‐resolution microscopy confirms pronounced local chemical heterogeneity and coexisting R/T‐related PNRs, consistent with the optimized PNR response predicted by phase‐field simulations. These results establish a generalizable framework for overcoming the intrinsic ξ – E b trade‐off and advancing next‐generation high‐ W rec dielectric capacitors for ES and pulsed‐power applications.
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