迄今为止，全球约有20%的能源被制冷消耗。据估计，空调机组的数量到2040年将翻一番。因此，发展高效率且环境友好的新型能源系统是解决全球变暖和促进自然资源可持续利用的首要问题。传统的基于汽化压缩的制冷系统经过100年的发展，已经逼近了热力学极限。更加糟糕的是，它们排放了大量的温室气体，且噪音较大。热材料（caloric materials）在受外界刺激下（如磁场、电场、拉伸或是压力等）相变时会产生大的熵变，在下一代制冷技术领域潜力巨大（相关介绍：“橡皮筋”做空调？先后登上Nature/Science的制冷新策略）。
在压力作用下，弹性热材料能够改变温度，有望推动下一代制冷技术的发展电热效应：当电场施加在电介质上或从电介质移除,电介质会经历等温熵变或绝热温度变化。相较于磁场，电场的构建更简单，成本更低廉，因而更受欢迎。此外，电热材料可以通过能量回收，提高的性能系数（coefficient of performance, COP）而备受关注。然而，相较于温度跨度大多超过10 K的磁热或是弹性热材料，电热材料的温度跨度一直较低，缺乏竞争性。
01 流体热传导，打破电热材料制冷关键壁垒
刚刚，卢森堡科学技术学院的A. Torelló和E. Defay等人合作，设计制备了一种基于钽酸铅钪多层电容器的平行板式有源电热再生器。在使用有限元模型指导优化结构设计并显著提高保温性能后，获得了13.0 K的最高温度跨度。这个温度跨度打破了一个关键的障碍，并证实了电热材料在制冷应用方面有着巨大潜力。该研究以题为“Giant temperature span in electrocaloric regenerator”的论文发表在最新一期的《Science》上。作者遵循了主动再生的原则来设计电热制冷器件。在基于低本征热变化材料的热泵中，主动再生十分常见，因为它允许器件显示器件热侧与冷侧之间的温差（∆Tspan）大于材料的绝热电热温差变化（∆TEC）。这两个温差之间的对应比值被定义为再生因子（regeneration factor）。流体冷却器的主动再生原则要求有热材料是多孔的，以便冷却液可以来回流动。此外，由于在组件上施加均匀电池易于实现，因此采用了平行板结构。
通过将Pb(Sc,Ta)O3多层电容器、用于排出流体的注射泵、触发电热效应的电源以及用于检测温度的K型热电偶相集成，作者构建了一个电热再生器（图1A）。流体系统包括一个非封闭的单回路，其中再生器的一端连接到注射泵，另一端连接到未密封的储液器。操作系统(图1B)由四步循环组成，前两步和后两步同时发生，以模拟类似Ericsson-Brayton的循环。2、 激活流体运动，将产生的额热量运输到器件的另一端。4、 逆转流体的运动方向，将冷却后的液体传输到另一端。该循环重复多次后，便能够在有源电热再生器中形成稳定的温度梯度，从而导致∆Tspan比材料的∆TEC大数倍。在初次实验中，作者使用了15个0.9 mm厚的多层电容器，排成三列五行的矩阵，产生的最大∆TEC为2.2 K，再生因子为0.45（图2A）。随后，作者采用有限元数值模拟对器件的结构进行了优化（图1C），以寻求更大的∆TEC（图2B）。模拟结果显示，在初次设计中，不可活动的结构部分充当了热阱，吸收了相当可观的热量，从而降低了整体性能。因此需要在保持隔热的同时尽量减少再生器的结构部件。当从模型中移除多余结构部件后，获得了2 K的∆Tspan（图2B，橘色方块）。通过对多层电热器的厚度进行优化，从0.9 mm减少至0.5 mm，模型的∆Tspan达到了4 K。通过提升多层电容器的列数，使得温度梯度的松弛更加困难，获得了9 K的∆Tspan（图2B，绿色方块）。最后将流体替换为水，∆Tspan提升了20%，且周期缩短一半（图2B，蓝色方块与星星）。在根据模拟结果对器件结构进行优化之后，作者在15.8 V μm-1的外加场强下，研究了初始温度Ts对∆TEC的影响（图3A）。观察到在38℃下获得最大为2.3 K的∆TEC。在25℃以下，∆TEC开始下降并在10℃达到了0.6 K。在18到25℃之间，∆TEC呈现出明显的不对称行为，可以归因于其电场开关（即加热与制冷）状态下不同振幅。在初始温度为30℃时，作者研究了电场对∆TEC的影响。在施加700 V的电场下，材料的∆TEC为2.37 K。在对优化后的器件持续运行1500 s后，作者测出了13.0 K的最大∆Tspan（图3C）。在此条件下，多层电容器显示出的∆TEC为2.2 K，再生因子为5.9。测量出的∆Tspan比初次设计的器件高出一个数量级，且显著高于其他同类（图3D）。总结：作者设计制备了一种基于钽酸铅钪多层电容器的平行板式有源电热再生器。在使用有限元模型指导优化结构设计并显著提高保温性能后，获得了13.0K的最高温度跨度，证实了电热材料在制冷应用方面有着巨大潜力。02 高性能固态电热冷却系统
许多现代计算机技术的诞生地，施乐帕克研究中心的 Wang Yunda、David Schwartz等人仅使用固体材料和冷却风扇即可从设备中散热，从而获得非常大的热通量。该工作报道了一种可大规模生产的高性能系统架构，在PbSc0.5Ta 0.5O3多层陶瓷电容器，获得了5.2°C的温度跨度，最大热通量达到每平方厘米135毫瓦，是常规电热制冷原型的4倍，创陶瓷多层电容器中最高记录。要点一：每个模块包含一个多层陶瓷电容器制冷器件，并且用绝缘材料隔离。相对于连续有源蓄热器，包含绝缘材料是该设计的关键改进，因为它会中断沿温度梯度的热分流，这是造成损耗的主要根源。模块被热耦合，使得热量容易从一个传递到另一个。当极化电场同步切换时，它们彼此相对横向移动（图1C）。这样，我们在设备的两端之间产生了一个比MLCC绝热温度变化更大的温升要点二：另一个关键的设计创新是使用各向异性导热板ATC（由玻璃增强环氧树脂（FR-4）层压板和商用印刷电路板制造）来增强层之间的热交换，同时保持较低的横向热泄漏。关键组件：在一端连接了一个微型风扇，以使空气流过热端散热器。总之，通过系统设计，获得了5.2°C的温度跨度，最大热通量达到每平方厘米135毫瓦，是常规电热制冷原型的4倍，创陶瓷多层电容器中最高记录。
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