酷酷的制冷新方法

诸平

This collage depicts elements related to ionocaloric cooling, a newly developed refrigeration cycle that researchers hope could help phase out refrigerants that contribute to global warming. Credit: Jenny Nuss/Berkeley Lab

据美国劳伦斯伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, CA 94720, USA）2023年1月3日报道，该实验室的研究人员与加州大学伯克利分校（University of California, Berkeley, CA 94720, USA.）的研究人员合作，受到在冬季风暴改变结冰时间之前在道路上撒盐的启示，他们应用这一基本概念开发了一种新的加热和冷却方法（Cool New Method of Refrigeration）。相关研究结果于2022年12月23日已经在《科学》（Science）杂志网站发表——Drew Lilley, Ravi Prasher. Ionocaloric refrigeration cycle. Science, 22 Dec 2022, 378(6626): 1344-1348. DOI: 10.1126/science.ade16. https://doi.org/10.1126/science.ade1696.在这篇论文中研究者描述了这项技术，他们将其命名为“离子热冷却（ionocaloric cooling）” 。

离子热冷却利用了材料相变时能量或热量的存储或释放方式——例如从固态冰变为液态水。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（vapor compression）”系统。离子热制冷（Ionocaloric refrigeration）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。

伯克利实验室研究生研究助理、领导这项研究的加州大学伯克利分校的博士候选人德鲁·利利（Drew Lilley）说：“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。我们认为，如果实现得当，离子热循环（ionocaloric cycle）有可能实现所有这些目标。”

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（Kigali Amendment）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 (hydrofluorocarbons简称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，可以使材料可泵送，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。

德鲁·利利和通讯作者、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拉维·普瑞舍（Ravi Prasher）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。德鲁·利利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（ethylene carbonate）。 

德鲁·利利说：“有可能使制冷剂不仅全球变暖潜能值（global warming potential简称GWP）-为零，而且GWP为负值。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 ℃，比其他热量技术所展示的温度提升更大。

拉维·普瑞舍说：“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。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。离子热团队（ionocaloric team）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。 

拉维·普瑞舍说：“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。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。”

德鲁·利利和拉维·普瑞舍已经获得了离子热制冷循环（ionocaloric refrigeration cycle）的临时专利，现在可以通过电子邮件联系而获得该技术的许可。此研究得到了美国能源部的资助（U.S. Department of Energy: DEAC02; 05CH11231）。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Ionic cooling

Solid- or liquid-state cooling strategies often rely on caloric effects in which materials are taken through some sort of phase change. Lilley and Prasher found that ions in solution can be used to control the melting and crystallization of a material, creating what the authors refer to as an ionocaloric cycle (see the Perspective by Defay). This cycle could drive refrigeration that is competitive with other caloric cooling strategies. —BG

Abstract

Developing high-efficiency cooling with safe, low–global warming potential refrigerants is a grand challenge for tackling climate change. Caloric effect–based cooling technologies, such as magneto- or electrocaloric refrigeration, are promising but often require large applied fields for a relatively low coefficient of performance and adiabatic temperature change. We propose using the ionocaloric effect and the accompanying thermodynamic cycle as a caloric-based, all–condensed-phase cooling technology. Theoretical and experimental results show higher adiabatic temperature change and entropy change per unit mass and volume compared with other caloric effects under low applied field strengths. We demonstrated the viability of a practical system using an ionocaloric Stirling refrigeration cycle. Our experimental results show a coefficient of performance of 30% relative to Carnot and a temperature lift as high as 25 ℃ using a voltage strength of ~0.22 volts.