实现电致冷经济可行的障碍：这并非仅仅取决于“提升”（性能或效率）

《Journal of Fluorine Chemistry》：Hurdles to Making Electrocaloric Cooling Economically Viable: It’s Not All About Lift

电热制冷技术有望替代传统氟利昂空调，通过固体材料减少温室气体排放，并降低40%能耗。杜邦项目发现柔性聚合物薄膜与金属电极存在兼容性问题，需通过分子模拟和反应工程优化材料稳定性，解决电极失效和聚合物反应可控性难题。

　　

海蒂·伯奇（Heidi Burch）|利奥波尔多·A·卡尔巴哈尔（Leopoldo A. Carbajal）|丹尼斯·孔达科夫（Denis Kondakov）|凯瑟琳·G·劳埃德（Kathryn G. Lloyd）|休·P·麦卡亚当斯三世（Hugh P. McAdamsIII）|芭芭拉·A·罗斯克（Barbara A. Roeske）|詹姆斯·F·赖利（James F. Ryley）|谢卡尔·苏布拉莫尼（Shekhar Subramoney）|阿尔门·伊尔迪里姆（Armen Yildirim）

杜邦特种产品公司（DuPont Specialty Products, Inc.） 杜邦实验站（DuPont Experimental Station），特拉华州威尔明顿（Wilmington, Delaware） 19803

摘要

将电热冷却技术发展为具有商业可行性的空调技术，从可持续性的角度来看，对设计工程师和消费者都具有极大的吸引力。通过使用固态材料代替可压缩的、通常含有氟的制冷剂，这些气体及其对全球变暖潜能（GWP）的影响可以更容易地被淘汰。此外，热力学模型预测，基于电热效应的空调比基于压缩技术的空调可能节省高达40%的电力。在美国，空调消耗的电力占总电力需求的10%，这一潜在的节能效果对可持续性、电网的稳定性以及投资该技术的企业和家庭来说都具有重要意义。

鉴于这项技术的巨大潜力，杜邦公司开展了一个旨在实现其规模化生产和商业化的项目。在探索这一可能颠覆行业的技术过程中，发现了一些对其成功至关重要的问题。材料在实际应用中的耐用性是电热冷却技术能否取得经济成功的关键，但这需要在实验室中进行测试；通过精心设计测试装置，杜邦公司克服了初始出现的薄膜失效问题（即薄膜母线被测试装置磨损的问题）。文中讨论了最终测试装置的详细信息。进一步的薄膜测试表明，要实现设备的长期使用寿命，必须解决柔性聚合物薄膜与刚性金属电极之间的根本不兼容性问题——在内部测试中，电极失效是主要的薄膜失效原因。最后，分子模拟显示，由于加入了更具反应性的氯化单体以实现电热效应所需的弛豫铁电行为，因此需要通过反应工程来解决聚合物的变异性问题，以确保设备在实际应用中的稳定性。

部分内容摘录

引言

1902年，威利斯·卡里尔（Willis Carrier）在纽约布鲁克林的萨克特与威廉姆斯印刷出版公司（Sackett & Wilhelms Lithographing and Publishing Company）发明了蒸汽压缩空调系统，用于控制湿度及温度。他的“空气处理装置”利用冷却盘管来降低空气湿度，从而实现温度控制[1]。九十八年后，美国国家工程院将空调和制冷技术的发明列为十大最重要的发明之一。

测量系统

有多种方法可以测量电热材料在施加电场作用下的温度变化。这些方法可分为直接测量法（直接测量材料的温度变化）和间接测量法（测量薄膜的其他性质，如随温度变化的极化电流，并据此计算温度变化）。直接测量方法包括：

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  热电偶/温度计
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  特制差示扫描量热仪
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结论

电热冷却技术有潜力将住宅和轻型商业空调从传统的蒸汽压缩制冷方式转变为一种不使用氟化气体的技术，因为氟化气体对地球环境具有破坏性。这种技术还有潜力将空调系统的能耗降低多达30%，从而带来显著的环境效益。

术语表

S3	电致伸缩应变
Q	电致伸缩系数
P	位移
εo	真空介电常数
κ	聚合物介电常数
T	温度
${\left(\frac{?P}{?T}\right)}_E$	恒场下的热电系数
CE(T)	单位体积热容量
σzz	横向应力
ρs	电荷密度
$\frac{r_i}{r_j}$	反应性比

未引用参考文献

[17]

CRediT作者贡献声明

海蒂·伯奇（Heidi Burch）：撰写初稿、监督项目、项目管理、数据整理、概念构思。利奥波尔多·A·卡尔巴哈尔（Leopoldo A. Carbajal）：数据调查。丹尼斯·孔达科夫（Denis Kondakov）：数据调查。凯瑟琳·G·劳埃德（Kathryn G. Lloyd）：数据调查。休·P·麦卡亚当斯三世（Hugh P. McAdamsIII）：项目管理、数据调查、数据整理。芭芭拉·A·罗斯克（Barbara A. Roeske）：数据调查。詹姆斯·F·赖利（James F. Ryley）：撰写及编辑初稿、数据调查、形式分析、数据整理。谢卡尔·苏布拉莫尼（Shekhar Subramoney）：数据调查。阿尔门·伊尔迪里姆（Armen Yildirim）：协助研究。

利益冲突声明

本项工作完全由杜邦特种产品公司资助，并与选择保持匿名的开发合作伙伴共同完成。