制冷70年未变，这一突破正在改变一切
制冷70年未变，这一突破正在改变一切
制冷技术在过去的70年里基本没有重大突破，但最近一项来自中国华中科技大学的研究团队的创新成果，可能会彻底改变这一现状。他们通过优化电解质成分，显著提升了热电制冷的效率，为从可穿戴设备到工业系统的各种冷却应用开辟了新的可能性。
原型热电制冷器。图片来源：Yilin Zeng
据细胞出版社(Cell Press)2025年2月1日提供的消息，科学家们已经改进了热电制冷，这是一种利用电化学反应的冷却方法。通过改进电解质成分，他们大大提高了效率，使其成为一种从可穿戴技术到工业系统的有前途的低能耗冷却应用替代品。相关研究结果于2025年1月30日已经在《焦耳》(Joule)杂志网站发表。
制冷技术的突破
在上述论文中，科学家们介绍了一种很有前途的新冷却技术，这种技术可能比传统的制冷技术更高效、更环保。这项研究探索了热电制冷，利用可逆的电化学反应来产生冷却效果。这种方法比传统的冷却系统需要更少的能量，使其具有成本效益和可扩展性，适用于从个人冷却设备到大规模工业使用的各种应用。
中国武汉华中科技大学的资深作者段将将（Jiangjiang Duan of Huazhong University of Science and Technology in Wuhan, China）说：“热电技术正在以清洁电力或低功耗冷却的形式进入我们的生活，研究学界和商业界都应该予以关注。”
热电冷却背后的科学
热电电池(Thermogalvanic cells)通常通过可逆的电化学反应将热量转化为电能。通过逆转这一过程，应用外部电流来驱动这些反应，科学家们可以产生冷却。虽然之前的研究表明冷却潜力有限，但段将将的团队通过改进系统的化学成分显著提高了性能，为实际应用打开了新的可能性。
段将将说：“虽然以前的研究主要集中在原始系统设计和数值模拟上，但我们报告了一种合理且通用的热电电解质设计策略，使其具有创纪录的高冷却性能，可能可用于实际应用。”
铁离子如何驱动冷却效果
冷却热力学电池(cooling thermodynamic cells)基于涉及溶解铁离子的电化学氧化还原反应。在反应的一个阶段，铁离子获得一个电子并吸收热量（Fe3+→Fe2+），而在另一个阶段，它们失去一个电子并释放热量（Fe2+→Fe3+）。第一次反应产生的能量冷却周围的电解质溶液，第一次反应产生的热量被散热器带走。
通过调整电解液中使用的溶质和溶剂，研究人员能够提高氢电电池(hydrogalvanic cell)的冷却能力。他们使用了一种含有高氯酸盐的水合铁盐，与之前测试过的其他含铁盐如铁氰化物(ferricyanide)相比，高氯酸盐有助于铁离子更自由地溶解和解离。研究人员将铁盐溶解在含有腈类(nitriles)的溶剂中，而不是纯水中，从而将氢电电池的冷却能力提高了70%。
业绩上的重大飞跃
优化后的系统能够冷却周围的电解质1.42 K，与之前发表的热电系统报道的0.1 K冷却能力相比，这是一个很大的改进。展望未来，该团队计划继续优化他们的系统设计，同时也在研究潜在的商业应用。
段将将说：“虽然我们的先进电解质在商业上是可行的，但要促进该技术的实际应用，还需要在系统级设计、可扩展性和稳定性方面做进一步的努力。未来，我们的目标是通过探索新的机制和先进的材料，不断提高热电冷性能(thermogalvanic cooling performance)。我们也在尝试开发不同的冰箱原型，以实现潜在的应用场景，并寻求与创新公司合作，以促进热电技术(thermogalvanic technologies)的商业化。”
本研究得到中国国家自然科学基金（National Natural Science Foundation of China）和中国国家创新人才博士后培养计划(China National Postdoctoral Program for Innovative Talents)的资助。