利用路面盐渍原理的新型制冷方法

在冬季风暴改变形成冰之前在道路上撒盐。美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的研究人员将这一基本概念应用于开发一种新的加热和冷却方法。这项被他们命名为“离子热量冷却”的技术，在12月23日发表在《科学》杂志上的一篇论文中得到了描述。

离子热冷却利用的是材料相变时能量或热量的储存或释放方式，比如从固态冰变成液态水。熔化的材料会吸收周围环境的热量，而凝固的材料则会释放热量。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的变化。

研究人员希望这种方法有一天可以提供高效的加热和冷却，占家庭使用能源的一半以上，并有助于逐步淘汰目前的“蒸汽压缩”系统，这种系统使用具有高全球变暖潜力的气体作为制冷剂。离子热制冷将用固体和液体成分代替这些气体，从而消除这些气体逃逸到大气中的风险。

“制冷剂的现状是一个未解决的问题:没有人成功地开发出一种替代解决方案，使东西变冷，有效工作，安全，不损害环境，”伯克利实验室的研究生研究助理和加州大学伯克利分校的博士候选人德鲁·利利说，他领导了这项研究。“我们认为，如果实现得当，离子热量循环有潜力实现所有这些目标。”

找到一种替代现有制冷剂的解决方案对各国实现气候变化目标至关重要，例如《基加利修正案》(已由145个缔约方接受，包括美国于2022年10月接受)中的目标。该协议要求签署国在未来25年内将氢氟碳化合物(hfc)的生产和消费至少减少80%。氢氟碳化物是冰箱和空调系统中常见的强效温室气体，其吸热效果是二氧化碳的数千倍。

新的离子热循环加入了其他几种“热”冷却的发展。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-液相变化。使用液体的另一个好处是使材料可泵送，使其更容易将热量输入或输出系统，这是固体冷却所难以做到的。

这个动画展示了离子热循环的作用。当电流加入时，离子流动，使材料从固体变成液体，使材料从周围吸收热量。当这个过程反过来，离子被除去，材料就会结晶成固体，并释放热量。

利利和通讯作者拉维·普拉舍(Ravi Prasher)是伯克利实验室能源技术领域的研究人员，也是加州大学伯克利分校机械工程的兼职教授，他们提出了离子热量循环的理论基础。他们计算出，它有可能与当今大多数系统中发现的气体制冷剂的效率竞争，甚至超过。

他们还通过实验证明了这项技术。利利使用了一种由碘和钠以及碳酸乙烯制成的盐，碳酸乙烯是锂离子电池中常用的有机溶剂。

利利说:“有可能出现不仅是GWP(全球变暖潜能值)为零，而且是负GWP的制冷剂。”“使用碳酸乙烯这样的材料实际上可能是负碳的，因为你用二氧化碳作为输入来生产它。这可以为我们提供一个利用碳捕获产生的二氧化碳的地方。”

通过系统的电流移动离子，改变材料的熔点。当它融化时，这种材料会从周围吸收热量，当离子被去除，材料凝固时，它会把热量送回。第一个实验显示，用不到1伏特的电压就能改变25摄氏度的温度，比其他热量技术所显示的温度提升更大。

普拉舍说:“我们试图平衡三件事:制冷剂的全球变暖潜能值、能源效率和设备本身的成本。”“从第一次尝试来看，我们的数据在这三个方面都很有前景。”

虽然热量法通常是根据其冷却功率来讨论的，但循环也可以用于水加热或工业加热等应用。该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。

“我们有了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，我们已经证明了它是可行的，”普拉舍说。“现在，是时候进行实验，测试不同的材料和技术组合，以应对工程挑战。”

参考:李利，普莱舍，离子热制冷循环。科学．2022, 378(6626): 1344 - 1348。doi:10.1126 / science.ade1696

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