来源 | Joule

链接 | https://doi.org/10.1016/j.joule.2025.102128

01

热电制冷器件研究背景

在全球能源与环境问题日益凸显的背景下，制冷技术的效率提升与环保转型成为关键议题。过去数十年间，传统蒸汽压缩制冷技术虽已广泛应用，但其能源消耗与环境影响的双重痛点逐渐凸显：据统计，该技术的耗电量占全球总电力消耗的 25% 左右，且受限于传热损耗与机械传动损失，其效率已接近理论天花板，难以进一步突破。更严峻的是，该技术所用制冷剂（如 R134a、R410a）具有极高的全球变暖潜能值（GWP），分别达到 1300 和 2088，被认定为全球变暖的重要驱动因素，与当前低碳环保的发展需求严重相悖，亟需新型制冷技术取而代之。

在此背景下，固态制冷技术因无需传统制冷剂、结构紧凑且能效潜力高，成为替代蒸汽压缩制冷的核心方向，主要包括磁热、弹热、热电与电热（EC）制冷等技术路径。其中，电热制冷技术凭借独特优势脱颖而出：其直接利用电能驱动，能量转换效率高，且具备宽温度稳定性、成本可控的特点；同时，电热制冷器件结构紧凑，易于小型化，理论性能系数（COP）甚至高于传统蒸汽压缩制冷技术，在电子设备散热、家用制冷等场景中展现出广阔应用前景。

然而，热电制冷技术的实用化仍面临两大核心挑战：其一，高性能 EC 材料的开发瓶颈。早期研究中，铅基陶瓷（如 PbScTaO₃、PbMg₀.₅W₀.₅O₃）虽能实现较大的绝热温差（ΔT），但铅元素对人体与环境具有毒性，不符合欧盟 RoHS 等环保法规对有害物质的限制，无铅化成为 EC 材料发展的必然趋势。尽管近年来无铅 BaTiO₃（BTO）基陶瓷及其固溶体（如 BaSrTiO₃，BSTO）的热电效应研究取得进展，但其性能与规模化应用需求仍有差距；其二，高效传热结构的设计难题。现有热电制冷原型器件多采用 “单级单片” 多层陶瓷（MLCs）结构，热交换效率低，导致制冷功率与温差难以兼顾 —— 要么温差较小（通常低于 1 K），要么功率不足，无法满足实际制冷场景对 “大温差 + 高功率” 的双重需求。此外，部分器件依赖流体传热，需配套复杂的流体循环系统与泵体，不仅限制了小型化，还增加了系统能耗与故障率。

因此，开发基于高性能无铅 EC 材料、兼具大温差与高功率的全固态传热结构，成为推动电热制冷技术从实验室走向商业化的关键突破口。本研究正是针对这一需求，以无铅 BSTO 基 MLCs 为核心材料，设计可扩展的叉指结构，旨在解决现有技术的瓶颈，为高效、环保的固态制冷技术提供新方案。

02

成果掠影

近日，广东工业大学鲁圣国教授团队针对传统蒸汽压缩制冷高能耗、高全球变暖潜能值，以及传热结构效率低的痛点，提出以无铅 BaSrTiO₃（BSTO）基多层陶瓷（MLCs）为核心，创新设计双策略可扩展叉指结构，实现全固态电热制冷器件的性能提升与规模化应用突破。团队采用 Sr²⁺掺杂 BSTO 制备 MLCs，通过流延法与还原气氛烧结工艺，将陶瓷层厚度控制为 30μm、内电极（Ni）厚度 1-2μm；200kV/cm 电场下，MLCs 有效电极区绝热温差（ΔT）达 4.02K（红外相机测量），与差示扫描量热法（DSC）、热电偶测量结果高度一致，且材料符合 RoHS 环保标准，解决铅基材料毒性问题。创新提出 “级联 + 并联” 双策略可扩展叉指结构 —— 级联通过多组叉指 “首尾连接” 形成温度梯度，提升冷热端温差（Tₛₚₐₙ）；并联通过延长叉指长度，使同组多片 MLCs 同步传热，提升制冷功率，突破传统 “单级单片” 结构的性能瓶颈。在叉指铜结构与 MLCs 接触处引入热垫（Laird Tflex700，导热率 5W/(mK)），显著降低固 - 固接触热阻（远优于空气导热率 0.027W/(mK)）；搭配聚四氟乙烯绝缘夹固定 MLCs，减少热传导损耗，同时适配不同尺寸材料。

首次实现无铅 BSTO 基 MLCs 与双策略叉指结构的结合，兼顾大温差、高功率与环保性，解决现有固态电热制冷器件规模化难题，为全固态制冷技术提供可复制的结构设计方案。研究成果以“Interdigitated structure-derived scalable all-solid state electrocaloric cooling device using lead-free BaSrTiO3-based multilayer ceramics”为题发表在《Joule》期刊。

广东工业大学材料与能源学院博士生何厚铸和博士后牛翔博士为共同第一作者，鲁圣国教授（Lead contact）和简晓东高级工程师为通讯联系人。

03

图文导读

单级器件（REG1）性能：200kV/cm 电场、6s 工作周期下，单级 11 片 MLCs 器件实现 0.66K 最大温差（Tₛₚₐₙ），0K 温差时制冷功率达 52mW；制冷功率密度为 49.9W/kg、282W/L，显著优于现有 BTO 基 MLCs 器件（19W/kg、110W/L）与 PbScTaO₃（PST）基 MLCs 器件（18W/kg、140W/L）。

规模化器件（REG2）性能：通过双策略规模化扩展，2 级 11 片 MLCs 器件（REG2 (2,11)）0K 温差制冷功率提升至 119mW；6 级 11 片 MLCs 器件（REG2 (6,11)）开放环境中最大 Tₛₚₐₙ达 7.13K，准真空环境下温差进一步提升至 16.4K，接近实用化需求。

模拟与验证：采用 COMSOL Multiphysics 6.0 构建模型，模拟单级器件 Tₛₚₐₙ为 0.68K，与实验结果（0.66K）高度匹配，验证了结构设计与性能数据的可靠性；同时通过活性面积优化模拟，证实 MLCs 活性面积占比提升（28%→80%）可同步提升温差（0.68K→1.73K）与功率（52mW→140mW）。

器件为全固态结构，无流体循环系统，易小型化，可广泛应用于电子设备散热、家用小型制冷、医疗低温存储等场景；同时，叉指结构设计可拓展至磁热、弹热等其他固态制冷技术，具备跨领域适配性。

无铅材料与高效能设计，可减少制冷领域碳排放与有害物质污染，替代传统高 GWP 制冷剂技术，符合全球低碳发展趋势，具有显著的环境与经济效益。

图1.原型模型 REG1 的主要结构。 

图2.原型器件典型工作原理简化模型 。

图3. 多层陶瓷（MLCs）封装与热性能测试结果。

图4.单级原型器件 REG1 的实验结果及与现有电热制冷器件的对比。

图5.可扩展结构的两种规模化策略。

图 6. 原型器件 REG2 规模化性能的模拟结果及对比。

图7.原型器件 REG2 的模拟结果、理论优化结果及与现有多级电热制冷器件的对比 。