室温范围内的电致冷效应在多层电容器中的实现

用电场为我们的世界降温

冰箱、空调和医用冷冻柜都是通过压缩可能破坏气候的气体来制冷。科学家们正在寻找更清洁的热量搬运方式。本研究探索了一种固态陶瓷器件，在通断电场时会加热或冷却，并展示了如何使其在室温及以下温度范围内工作——正是大多数实际制冷任务发生的温度区间。

一种新的热量转移方式

当某些晶体暴露于电场时，内部结构发生变化，温度会跃变。这种电致冷效应使器件表现得像微小的固态热泵。早期基于 PST 的设计能产生显著的温度变化，但只能在高于室温的条件下并且需要缓慢昂贵的退火处理才能实现。这限制了它们在食物、建筑或医用物资等跨越室温的制冷应用中的实用性。

混合两种材料以提升性能

研究人员通过将 PST 与另一种陶瓷 PMW 混合形成固溶体来解决这一问题。关键在于，这种混合保持了赋予 PST 强烈热响应的重轻原子有序排列，但加入的 PMW 干扰了控制材料相变的电偶极子。这种组合降低了相变发生的温度，将有用的电致冷响应推至约 230 开尔文，同时保留了大的潜热，且无需耗时的退火工艺。

测试微型层状电容器

为了将材料制成实用器件，团队制造了多层电容器，它们看起来像由薄陶瓷片和金属电极交替叠层的堆栈。他们在超过一千万次高电场驱动下未发生击穿。通过将电学测量的间接计算与热量计和热电偶的直接读数结合，发现活性陶瓷层的温度可变化约 4 至 4.5 开尔文，考虑到器件中非活性部分后，对外部可用的等效温度摆幅约为 3 开尔文。

从实验室芯片走向可工作的制冷器

研究随后探讨了这些多层电容器在理想化制冷机中将如何表现。作者模拟了在流体再生器中，一个或多个电容器在冷热端之间往返并开关电场的循环。在与原型相似的现实驱动电压下，新的 PST–PMW 器件可将高于环境温度的物体冷却至约 230 开尔文，并在卡诺效率的约 70% 到 90% 之间运行，略优于早期基于 PST 的器件，并可与某些磁致冷系统竞争。

对未来制冷的意义

简而言之，这项工作展示了如何通过巧妙混合两种陶瓷，将实验室中的奇巧材料转变为在关注温度范围内更实用的固态制冷器。通过在保持原子有序的同时将相变移向更低温度，作者获得了强烈且可重复的热响应而无需长时间处理。他们认为这些改进的多层电容器应取代旧有的 PST 器件进入电致冷原型，开启依靠电场而非温室气体的紧凑高效冰箱和热泵的道路。

引用: Guo, M., Farenkov, V., Chen, X. et al. Electrocaloric effects across room temperature in multilayer capacitors. Nature 653, 398–403 (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-026-10492-w

关键词: 电致冷, 多层电容器, 固态制冷, 铁电陶瓷, 节能制冷