Dynamic Dipole Engineering Enables Ultrahigh Energy Storage with Minimal Losses

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作者
Yunyao Huang,Leiyang Zhang,Ruiyi Jing,Yule Yang,Kaiyuan Liu,Yuxiao Du,Xiaoming Shi,Jiyang Xie,Zibin Chen,D. F. Wang,Limei Zheng,Houbing Huang,Wanbiao Hu,Xuefeng Chen,Hua Tan,Haibo Zhang,shujun zhang,Li Jin
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:38 (13): e22905-e22905 被引量:1
标识
DOI:10.1002/adma.202522905
摘要

Achieving high recoverable energy density (Wrec) with near-unity efficiency (η) in lead-free dielectrics remains a major challenge for advanced pulse power capacitors, given their central role in emerging pulsed power systems and high-voltage electronics. Here, we show that targeted engineering of dynamic dipole behavior provides an effective route to remarkable energy storage performance. Guided by phase-field simulations, we design (Bi0.5Na0.5)TiO3 (BNT)-based multilayer ceramic capacitors that transform a continuous network of strongly correlated dipoles into discrete nano-domains. Within each nano-domain, dipoles retain strong local cooperativity, which maintains high polarization while markedly suppressing hysteresis losses. As a result, the optimized multilayer ceramic capacitors (MLCCs) achieve a recoverable energy density of 16.2 J cm-3, an η of 98.5%, and a record-high figure of merit (WF) of 1080 at 650 kV cm-1. This moderate operating field also produces an ultrahigh energy storage strength (ξ) of 249 J kV-1 m-2, highlighting the efficiency of the dipole-regulation strategy. These findings demonstrate that weakly correlated and dynamic dipoles can be harnessed to advance high-performance, lead-free energy storage devices and offer a viable design principle for next-generation capacitive technologies.
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