目前，全球运行着约五十亿台制冷系统和热泵系统。如果考虑车载冰箱或者空调系统，这一数值还会更高。这些系统消耗了全球电力的约 20%，并且大多通过含有（氢）氟碳化合物的蒸发压缩技术来运作。

尽管人们也开发了环保型制冷剂例如丙烷。考虑到电力生产的间接二氧化碳排放，以及氟化制冷剂的直接泄漏，空调制冷及其相关应用所导致的温室气体排放，累计占据全球温室气体排放总量的 10%。

后来，人们发现基于固态卡材料的制冷技术，可以作为一种替代方案，因为它们具有高效率，并且不会直接导致气候变暖。

在外部应用场的作用下，卡材料会经历可逆的绝热温度变化，这些场可以是磁场、静水压力，也可以是单轴应力和电场。

说到这里就不得不提电卡效应，它是指电介质在外加电场的作用下，会产生放热或者吸热的物理现象。

而卡材料的一大优势是，驱动这些变化所输入的大部分能量，都会存储起来然后被回收利用，因此设备的性能系数和工作效率能被显著提高。

然而，当前电卡设备的性能仍然未能满足制冷应用的需求。以制冷功率为例，目前实验室的最高功率仍然不到 1 瓦，这一数值远远低于普通商用制冷机的百瓦量级。

基于以上背景，卢森堡科学与技术研究院的研究人员优化了可再生式制冷机的几何结构。

基于课题组的前期工作，他们了解到可再生式电卡制冷器件的温跨能够达到 10 开尔文以上，其理论制冷功率可达 1.2 瓦。

因此，本次课题的目标在于实现一个温跨在 20 开尔文以上、并且制冷功率达到瓦级别的器件。

为了实现这一目标，他们采用许多单个工作介质堆垛的方式来制备器件，并重点研究了几何堆垛方式和理论模拟的结合。

同时，他们还借鉴了双回路的方法，测试了不同温跨之下的器件制冷功率。研究中，该团队还研究了几何参数对于性能的影响。在最优的结构下，得到了一个温跨可以达到 20 开尔文的器件。

然后，他们利用双回路的方法，测试了这款原型机的制冷功率。在温跨达到 2.2 开尔文的条件下，制冷功率达到 4.2 瓦。

这一成果表明电卡制冷器件可以实现瓦级别的制冷。同时，当输入电能被回收利用的时候，器件工作效率达到 64%，非常接近理论数值。

毫无疑问，这项工作是领域内一大突破，让电卡制冷器件能够走向实际应用成为可能，并有望实现芯片和电池的高效冷却。

同时，还有望替代车载空调和家用空调。凭借固态电卡材料的特殊性质，未来还可能被用于特殊场合的制冷，例如全固态制冷设备在空间站的应用等。

（来源：Science）

最终，相关论文以《双环电热热泵的高冷却性能》（）为题发在 Science。

图 | 相关论文（来源：Science）

卢森堡科学与技术研究院李俊宁博士是第一作者，卢森堡科学与技术研究院伊曼纽尔·德菲（）教授担任通讯作者。

图 | 李俊宁（来源：李俊宁）

来自斯洛文尼亚卢布尔雅那大学的雅卡·图塞克（）教授还为本次论文撰写了展望文章，并发表在同期的 Science 上[2]。

目前，课题组已经能让单个原型机的制冷功率达到 4 瓦，但是其利用铁电体电卡热能的效率依然不够高。

为提高这一效率，就得使用具有高热导率的水来作为导热介质，同时还得解决工作介质在水中如何实现绝缘这一问题。

另外，目前使用的铁电体材料需要昂贵的原材料以及复杂的生产工艺。因此，其打算开发新型的廉价材料、以及采取更加简单的制备过程。此外，还需要努力实现大功率电卡制冷，从而能让多个原型机能够同时工作。

参考资料：

1.Li, J., Torelló, A., Kovacova, V., Prah, U., Aravindhan, A., Granzow, T., ... & Defay, E. (2023). High cooling performance in a double-loop electrocaloric heat pump. Science, 382(6672), 801-805.

2.A highly efficient solid-state heat pump；https://doi.org/10.1126/science.adl0804

运营/排版：何晨龙

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