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优化(K,Na) nbo3基陶瓷的晶粒尺寸和晶界形貌:为超高能储能电容器铺平道路( Optimizing the grain size and grain boundary morphology of (K,Na)NbO3-based ceramics: Paving the way for ultrahigh energy storage capacitors )
X Wang H Yu P Zhao X Liu X Wang
弛豫介质陶瓷电容器对于大功率储能非常有吸引力。然而，低的击穿强度严重制约了储能密度的提高和实际应用。这里提出了在相场理论指导下设计小晶粒尺寸和丰富的非晶晶界的策略来改善储能性能。以0.925(K0.5Na0.5)NbO3-0.075Bi(Zn2/3(Ta0.5Nb0.5)1/3)O3(KNN-BZTN)弛豫铁电陶瓷为例验证了我们的策略。采用高能球磨方法和两步烧结策略对KNN-BZTN陶瓷的晶粒尺寸和晶界进行了精细控制。阻抗分析和漫反射光谱表明，晶粒尺寸小、晶界丰富的KNN-BZTN陶瓷具有较低的载流子浓度和较高的带隙。结果表明,当晶粒尺寸由410 nm减小到200 nm时,KNN-BZTN陶瓷的击穿电场由222 kV/cm增大到317 kV/cm,最大极化略有下降。KNN-BZTN陶瓷的平均晶粒尺寸为250 nm,具有丰富的非晶晶界,具有良好的储能性能,可恢复能量密度为4.02J/cm,能量效率为87.4%。这种成功的局部结构设计为改善其它用于电能存储的介质陶瓷电容器的储能性能开辟了新的范式。
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