科学家开发出一种很酷的新制冷方法

在冬季风暴改变结冰时间之前在道路上撒盐。能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的研究人员应用这一基本概念开发了一种新的加热和冷却方法。12月23日发表在《科学》杂志上的一篇论文描述了这项技术，他们将其命名为“离子热冷却”。

离子热冷却利用了材料相变时(例如从固态冰变为液态水)存储或释放能量或热量的方式。材料熔化会从周围吸收热量，而材料凝固会释放热量。离子热循环通过来自盐的离子(带电原子或分子)的流动引起这种相和温度变化。

研究人员希望这种方法有朝一日可以提供高效的供暖和制冷(占家庭能源使用量的一半以上)，并帮助逐步淘汰目前使用具有高全球变暖潜能值的气体作为制冷剂的“蒸汽压缩”系统。离子热制冷将通过用固体和液体成分代替这些气体来消除这些气体逃逸到大气中的风险。

“制冷剂的前景是一个未解决的问题：没有人成功开发出一种替代解决方案，使物品变冷、高效工作、安全且不损害环境，”伯克利实验室研究生研究助理DrewLilley说，博士领导这项研究的加州大学伯克利分校的候选人。“我们认为，如果实现得当，离子热循环有可能实现所有这些目标。”

该动画展示了离子热循环的作用。当加入电流时，离子流动并将材料从固体变为液体，导致材料从周围吸收热量。当过程逆转并去除离子时，材料结晶成固体，释放热量。图片来源：JennyNuss/伯克利实验室

寻找替代现有制冷剂的解决方案对于各国实现气候变化目标至关重要，例如基加利修正案中的目标(包括美国在内的145个缔约方于2022年10月接受)。该协议要求签署方在未来25年内将氢氟碳化物(HFC)的生产和消耗量减少至少80%。氢氟碳化合物是常见于冰箱和空调系统中的强温室气体，其吸收热量的效率是二氧化碳的数千倍。

新的离子热循环加入了其他几种正在开发的“热”冷却。这些技术使用不同的方法——包括磁力、压力、拉伸和电场——来操纵固体材料，使它们吸收或释放热量。离子热冷却的不同之处在于使用离子驱动固液相变。使用液体还有一个额外的好处，那就是使材料可泵送，从而更容易将热量带入或带出系统——这是固态冷却一直难以解决的问题。

Lilley和通讯作者RaviPrasher(伯克利实验室能源技术领域的研究附属机构和加州大学伯克利分校机械工程副教授)阐述了离子热循环的理论基础。他们计算出它有可能与当今大多数系统中使用的气态制冷剂的效率相媲美，甚至超过其效率。

他们还通过实验证明了该技术。Lilley使用了一种由碘和钠制成的盐，以及锂离子电池中常用的有机溶剂碳酸亚乙酯。

“有可能使制冷剂不仅GWP[全球变暖潜能值]-为零，而且GWP为负值，”Lilley说。“使用像碳酸亚乙酯这样的材料实际上可能是碳负的，因为你通过使用二氧化碳作为输入来生产它。这可以让我们有机会使用来自碳捕获的CO2。”

通过系统的电流会移动离子，从而改变材料的熔点。当它熔化时，材料从周围吸收热量，当离子被移除并且材料凝固时，它会返回热量。第一个实验显示使用不到一伏特的温度变化25摄氏度，比其他热量技术所展示的温度提升更大。

“我们试图平衡三件事：制冷剂的GWP、能源效率和设备本身的成本，”Prasher说。“从第一次尝试开始，我们的数据在所有这三个方面看起来都非常有希望。”

虽然热量方法通常根据其冷却能力进行讨论，但循环也可用于水加热或工业加热等应用。ionocaloric团队正在继续研究原型，以确定该技术如何扩展以支持大量冷却，提高系统可以支持的温度变化量，并提高效率。

“我们拥有这个全新的热力学循环和框架，它汇集了来自不同领域的元素，我们已经证明它可以发挥作用，”Prasher说。“现在，是时候进行实验来测试材料和技术的不同组合，以应对工程挑战。”

Lilley和Prasher获得了离子热制冷循环的临时专利，该技术现在可以申请许可。