First-principles prediction of large thermoelectric efficiency in superionic Li2SnX3 (X = S, Se)
文献情報
Enamul Haque, Claudio Cazorla, M. Anwar Hossain
Thermoelectric materials create an electric potential when subjected to a temperature gradient and vice versa; hence they can be used to harvest waste heat into electricity and in thermal management applications. However, finding highly efficient thermoelectrics with high figures of merit, zT ≥ 1, is very challenging because the combination of a high power factor and low thermal conductivity is rare in materials. Here, we use first-principles methods to analyze the thermoelectric properties of Li2SnX3 (X = S, and Se), a recently synthesized class of lithium fast-ion conductors presenting high thermal stability. In p-type Li2SnX3, we estimate highly flat electronic valence bands that produce high Seebeck coefficients exceeding 400 μV K−1 at 700 K. In n-type Li2SnX3, the electronic conduction bands are slightly dispersive; however, the accompanying electron–acoustic phonon scattering is weak, which induces high electrical conductivity. The combination of a high Seebeck coefficient and electrical conductivity gives rise to high power factors, reaching a maximum of ∼4.5 mW m−1 K−2 at 300 K in both n-type Li2SnS3 and Li2SnSe3. Likewise, the thermal conductivity in Li2SnX3 is low as compared to conventional thermoelectric materials, 1.35–4.65 W m−1 K−1 at room temperature. As a result, we estimate a maximum zT of 1.1 in n-type Li2SnS3 at 700 K and of 2.1 (1.1) in n-type Li2SnSe3 at the same temperature (300 K). Our findings of large zT in Li2SnX3 suggest that lithium fast-ion conductors, typically employed as electrolytes in solid-state batteries, hold exceptional promise as thermoelectric materials.
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Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.














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