Synergistic Relaxor Engineering and Microstructural Densification Enable Ultrahigh Energy Storage in BNT‐Based Lead‐Free Ceramics

材料科学 陶瓷 电介质 弛豫铁电体 极化(电化学) 磁滞 复合材料 铁电性 相变 铁电陶瓷 凝聚态物理 储能 联轴节(管道) 同种类的 光电子学 微观结构 介电强度 相(物质) 耦合强度 工作(物理) 纳米- 随机场 本地字段 电场 高能
作者
Yang Zhao,Yu Wu,Fukang Chen,Xinru Nie,Leiyang Zhang,Ruiyi Jing,Jun Yang,S. L. Cheng,Li Jin
出处
期刊:Small [Wiley]
卷期号:: e75093-e75093
标识
DOI:10.1002/smll.75093
摘要

ABSTRACT Lead‐free dielectric ceramics with simultaneously high recoverable energy‐storage density and efficiency are highly desirable for pulsed‐power capacitors, yet their performance is fundamentally limited by the trade‐off among polarization strength, hysteresis loss, and breakdown strength. Here, we report a multiscale synergistic strategy in (0.94− x )(Bi 0.5 Na 0.5 )TiO 3 ‐0.06KNbO 3 ‐ x SrTiO 3 [(0.94− x )BNT‐0.06KN‐ x ST] ceramics by coupling relaxor regulation with microstructural densification. KN incorporation induces R 3 c / P 4 bm local phase coexistence in the BNT matrix, weakening long‐range ferroelectric order and initiating a transition toward a relaxor state. Further ST addition enhances local structural heterogeneity, random fields, and polar nanoregions, leading to highly reversible polarization with suppressed hysteresis. In parallel, tape casting produces a dense and homogeneous microstructure, effectively mitigating defect‐induced field concentration and enhancing breakdown strength. The optimized x = 0.32 composition exhibits a high breakdown strength of 804 kV cm −1 and delivers an ultrahigh recoverable energy density of 10.1 J cm −3 with an efficiency of 97.6% at 820 kV cm −1 . Frequency‐ and temperature‐dependent measurements at 450 kV cm − 1 further demonstrate robust energy‐storage behavior under the tested field condition. This work establishes a disorder‐engineered relaxor strategy combined with microstructural densification to reconcile polarization reversibility and electric‐field endurance in lead‐free dielectric ceramics.
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