Dielectric capacitors are very attractive for high power energy storage. However, the low energy density of these capacitors, which is mainly limited by the dielectric materials, is still the bottleneck for their applications. In this work, lead-free single-phase perovskite Srx(Bi1−xNa0.97−xLi0.03)0.5TiO3 (x = 0.30 and 0.38) bulk ceramics, prepared using solid-state reaction method, were carefully studied for the dielectric capacitor application. Polar nano regions (PNRs) were created in this material using co-substitution at A-site to enable relaxor behaviour with low remnant polarization (Pr) and high maximum polarization (Pmax). Moreover, Pmax was further increased due to the electric field induced reversible phase transitions in nano regions. Comprehensive structural and electrical studies were performed to confirm the PNRs and reversible phase transitions. And finally a high energy density (1.70 J/cm3) with an excellent efficiency (87.2%) was achieved using the contribution of field-induced rotations of PNRs and PNR-related reversible transitions in this material, making it among the best performing lead-free dielectric ceramic bulk material for high energy storage.

Poly(vinylidene fluoride)-based dielectric materials are prospective candidates for high power density electric storage applications because of their ferroelectric nature, high dielectric breakdown strength and superior processability. However, obtaining a polar phase with relaxor-like behavior in poly(vinylidene fluoride), as required for high energy storage density, is a major challenge. To date, this has been achieved using complex and expensive synthesis of copolymers and terpolymers or via irradiation with high-energy electron-beam or γ-ray radiations. Herein, a facile process of pressing-and-folding is proposed to produce β-poly(vinylidene fluoride) (β-phase content: ~98%) with relaxor-like behavior observed in poly(vinylidene fluoride) with high molecular weight > 534 kg mol-1, without the need of any hazardous gases, solvents, electrical or chemical treatments. An ultra-high energy density (35 J cm-3) with a high efficiency (74%) is achieved in a pressed-and-folded poly(vinylidene fluoride) (670-700 kg mol-1), which is higher than that of other reported polymer-based dielectric capacitors to the best of our knowledge.

Lead-free ceramic capacitors offer ultrahigh power density and ultrafast discharging rates, making them critical energy storage components for advanced pulsed power systems. However, the greatest obstacle to broader applications remains the relatively low energy storage density. In this study, a relaxor ferroelectric ceramic based on (0.6-x)Ba0.55Sr0.45TiO3-0.4Bi0.5Na0.5TiO3-xSrZrO3 ((0.6-x)BST-0.4BNT-xSZ) is prepared using the tape casting method, resulting in an excellent energy density (Wrec ≈ 10.0 J cm−3) and high energy storage efficiency (η ≈ 91 %). The solid solution of linear dielectrics SrZrO3 synergistically regulates both relaxor properties and breakdown strength. The variation of relaxor property was explored utilizing New Glass model and the multi-polarization model, with confirmation provided by piezoresponse force microscopy. Furthermore, the breakdown strength could be attributed to improvements in electric insulation and the widening of the bandgap. As SrZrO3 content increases, the in-situ emergence of the second phase ZrO2, accompanied by a martensitic transformation, not only improves the fracture toughness of ceramics but also serves to elongate the breakdown path. Encouragingly, x = 0.20 ceramics also achieve excellent temperature stability (−95–125 ℃), frequency stability (1–1000 Hz), cycling reliability (1–106 cycles), and great charging-discharging properties. This multiscale synergic regulation strategy plays a guiding role in the screening of high-performance energy storage dielectric materials.