來源：Joule

鏈接：https://doi.org/10.1016/j.joule.2025.102128

在全球能源與環境問題日益凸顯的背景下，制冷技術的效率提升與環保轉型成為關鍵議題。過去數十年間，傳統蒸汽壓縮制冷技術雖已廣泛應用，但其能源消耗與環境影響的雙重痛點逐漸凸顯：據統計，該技術的耗電量占全球總電力消耗的 25% 左右，且受限于傳熱損耗與機械傳動損失，其效率已接近理論天花板，難以進一步突破。更嚴峻的是，該技術所用制冷劑（如 R134a、R410a）具有極高的全球變暖潛能值（GWP），分別達到 1300 和 2088，被認定為全球變暖的重要驅動因素，與當前低碳環保的發展需求嚴重相悖，亟需新型制冷技術取而代之。

近日，廣東工業大學魯圣國教授團隊針對傳統蒸汽壓縮制冷高能耗、高全球變暖潛能值，以及傳熱結構效率低的痛點，提出以無鉛 BaSrTiO?（BSTO）基多層陶瓷（MLCs）為核心，創新設計雙策略可擴展叉指結構，實現全固態電熱制冷器件的性能提升與規模化應用突破。團隊采用 Sr2?摻雜 BSTO 制備 MLCs，通過流延法與還原氣氛燒結工藝，將陶瓷層厚度控制為 30μm、內電極（Ni）厚度 1-2μm；200kV/cm 電場下，MLCs 有效電極區絕熱溫差（ΔT）達 4.02K（紅外相機測量），與差示掃描量熱法（DSC）、熱電偶測量結果高度一致，且材料符合 RoHS 環保標準，解決鉛基材料毒性問題。創新提出 “級聯 + 并聯” 雙策略可擴展叉指結構 —— 級聯通過多組叉指 “首尾連接” 形成溫度梯度，提升冷熱端溫差（T????）；并聯通過延長叉指長度，使同組多片 MLCs 同步傳熱，提升制冷功率，突破傳統 “單級單片” 結構的性能瓶頸。在叉指銅結構與 MLCs 接觸處引入熱墊（Laird Tflex700，導熱率 5W/(mK)），顯著降低固 - 固接觸熱阻（遠優于空氣導熱率 0.027W/(mK)）；搭配聚四氟乙烯絕緣夾固定 MLCs，減少熱傳導損耗，同時適配不同尺寸材料。

首次實現無鉛 BSTO 基 MLCs 與雙策略叉指結構的結合，兼顧大溫差、高功率與環保性，解決現有固態電熱制冷器件規模化難題，為全固態制冷技術提供可復制的結構設計方案。研究成果以“Interdigitated structure-derived scalable all-solid state electrocaloric cooling device using lead-free BaSrTiO3-based multilayer ceramics”為題發表在《Joule》期刊。

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