Introducing controlled electrical homogeneity can be an effective way to obtain ultrahigh energy storage density in lead-free multilayers.

Bismuth ferrite-based lead-free multilayers with a high recoverable energy density of 6.74 J cm⁻³ and an efficiency of 77%, stable up to 125 °C.

Novel BaTiO₃-based capacitors show promising energy storage performance with high breakdown strength and discharge energy density and outstanding energy efficiency.

Bi₂(Li_0.5Ta_1.5)O₇ ceramics possess a ε_r of 65.1, a Q_f of 15 500 GHz and a TCF of −17.5 ppm °C⁻¹. The sintering temperature was lowered to 920 °C by the addition of 2 mol% Bi₂O₃, which makes them potential candidates for dielectric resonators and LTCC applications.

High recoverable energy density (Wrec ∼ 2.1 J/cm3) was obtained in (0.7 – x)BiFeO3-0.3BaTiO3-xBi(Zn2/3Nb1/3)O3 + 0.1 wt % Mn2O3 (BF-BT-xBZN, x = 0.05) lead-free ceramics at <200 kV/cm. Fast discharge speeds (<0.5 μs), low leakage (∼10–7 A/cm2), and small temperature variation in Wrec (∼25% from 23 to 150 °C) confirmed the potential for these BiFeO3-based compositions for use in high energy density capacitors. A core–shell microstructure composed of a BiFeO3-rich core and BaTiO3-rich shell was observed by scanning and transmission electron microscopy which may contribute to the high value of energy density. In addition, for x = 0.005, a large electromechanical strain was observed with Spos = 0.463% and effective d33* ∼ 424 pm/V, suggesting that this family of ceramics may also have potential for high strain actuators.

In this work, Mn-doped 0.9BaTiO3-0.1Bi(Mg2/3Nb1/3)O3 ceramics were prepared by the conventional solid state reaction method, and the effect of defect dipoles on energy storage properties of lead free relaxor ferroelectric BaTiO3-based ceramics was studied. The crystal structure, dielectric properties, and energy storage properties were explored in detail. It was found that polarization hysteresis (P-E) loops of 0.9BaTiO3-0.1Bi(Mg2/3Nb1/3)O3-x wt. % MnCO3 (0.2–0.5) ceramics took on high maximum polarization (Pmax) and low remanent polarization (Pr). Meanwhile, recoverable energy density (Wrec) and energy conversion efficiency (η) were obviously enhanced by inducing defect dipoles into BaTiO3-Bi(Mg2/3Nb1/3)O3 relaxor ferroelectrics. The 0.9BaTiO3-0.1Bi(Mg2/3Nb1/3)O3-0.3 wt. % MnCO3 ceramic was found to exhibit good energy storage properties with a Wrec of about 1.70 J/cm3 and a η ∼ 90% under an electric field of 210 kV/cm. The breakdown electric field and Wrec of BaTiO3-based materials were significantly increased in the present work, and they might be good candidates for high power energy storage applications.

An ultrahigh enhancement rate of U_d (≈187%) and U_d (≈19 J cm⁻³) have been obtained for P(VDF-HFP)-based nanocomposites using novel core–shell BaTiO₃@MgO as the filler.

Lead-based electroceramics such as Pb(Zr.Ti)O 3 (PZT) and its derivatives have excellent piezoelectric, pyroelectric and energy storage properties and can be used in a wide range of applications. Potential lead-free replacements for PZT such as potassium sodium niobate (KNN) and sodium bismuth titanate (NBT) have a much more limited range of useful properties and have been optimized primarily for piezoelectric applications. Here, we review the initial results on a new generation of lead-free electroceramics based on BiFeO 3 -BaTiO 3 (BF-BT) highlighting the essential crystal chemistry that permits a wide range of functional properties. We demonstrate that with the appropriate dopants and heat treatment, BF-BT can be used to fabricate commercially viable ceramics for applications, ranging from sensors, multilayer actuators, capacitors and high-density energy storage devices. We also assess the potential of BF-BT-based ceramics for electrocaloric and pyroelectric applications.

Low temperature cofired ceramic (LTCC) technology can serve for next-generation millimeter-wave electronic products to bring the advantages of integration, miniaturization and excellent high-frequency performance. However, challenges such as the performance of LTCC powders, quality of green tapes and Ag co-firing compatibility still need to be addressed for the application of LTCC technology. In this work, a systematic investigation from powder modification, LTCC process to filter design were carried out based on novel BaCuSi4O10-based dielectric ceramics. Multiple effects in terms of suitable sintering temperature (840 ℃ suit for Ag co-firing), low-permittivity (εr ∼ 5.7) and good thermal stability (temperature coefficient of resonant frequency ∼ − 27 ppm/℃, thermal expansion coefficient ∼3.9 ppm/℃) were achieved by introducing Li-B-Si glass and LiF composite additive. The origin of dielectric response of this LTCC system were discussed using the FIR reflectivity spectrum and THz-TDS. After optimizing the tape casting process for the LTCC powder, green tapes with uniform thickness, smooth surface and no cracking were obtained. Furthermore, the bandpass and lowpass filters exhibited a high level of filtering performance own to excellent dielectric properties and low surface roughness of the LTCC. Consequently, the BaCuSi4O10-based dielectric ceramic is an attractive candidate as LTCC technology expands into millimeter-wave communications.