无关体积大小，看看非传统冷却装置如何以小博大

传统的电热冷却装置由亚毫米厚的陶瓷工作体组成，周围环绕着相对巨大的设备。而现在，每个基于薄聚合物层的冷却装置都被堆叠起来，以形成一个复合轻质装置，可以在很大的温度范围内泵送热量。

无关体积大小，看看非传统冷却装置如何以小博大

传统的电热冷却装置由亚毫米厚的陶瓷工作体组成，周围环绕着相对巨大的设备。而现在，每个基于薄聚合物层的冷却装置都被堆叠起来，以形成一个复合轻质装置，可以在很大的温度范围内泵送热量。

当前，人们对基于热量材料的冷却装置的兴趣日益增长。在该类冷却装置中，磁场、电场或机械场驱动相变，从而产生热变化。只需施加电压即可轻松管理电场，但是如果不将其分解成亚毫米厚的整体陶瓷工作体，就不会产生强烈的电热（EC）效应，这限制了传统原型EC冷却器的温度范围为13K。

加利福尼亚大学的裴启兵教授及其同事在《Nature Energy》当中提到，一堆重量轻得多的EC设备（每个设备基于0.1毫米厚的聚合物双层）可以在整个8.7 K的温度范围内泵送热量。这是非常引人注目的，因为这样的EC设备比最近刚刚公布的原型机要好得多。这些最先进的工作主体的厚度大致和古代的单片陶瓷一样，但它们由许多可以被硬驱动的薄层组成。

电芯冷却装置的热端和冷端之间的温度范围不需要受电芯工作体绝热条件下电压驱动的温度变化的限制。例如，可以沿着循环流体（图1a）或圆柱（图1b）与EC工作体进行热交换的流动流体创建温度梯度，代价是需要一个泵。或者通过平移一条与第二条这样的管线接触并断开接触的EC工件的线，沿着延伸的热量工作体形成温度梯度，代价是需要一个驱动器(图1c)。

因此，传统上EC原型需要大量的无热量组件，其中一些组件由于其热质量反而会损害性能。此外，器件的复杂性使得堆叠无法实现更高的温度范围。

图1：电热原型的小型化。

a – d，这是未按比例绘制的简化示意图，显示了通过用电压循环驱动EC工作体（黄色）同时循环转换流体（a，b）来将热量从冷端（蓝色）泵送到热端（红色）的设备。

工作组件包括：PST（PBSC亚毫米厚的PST板(PbSc0.5Ta0.5O3) (a)），PST亚毫米厚的MLC (b)，相同的PST亚毫米厚的MLC（Ç），0.1毫米厚的聚合物双层（d），即聚（偏二氟乙烯-三氟乙烯-氯氟乙烯）。d中的原件比其他原件更简单、更小、更轻，并且可以堆叠以便将热量泵送至8.7 K。

从概念上和技术上讲，将单个EC工作体在热能释放的热端和热能吸收的冷端之间重复平移可能更简单。在2017年的报告11中，裴教授和同事们通过静电驱动柔性EC双层分子本身来实现这一策略(图1d)。然而，器件的温度跨度被限制在2.8K，而且还不清楚基于薄聚合物的EC器件是否能够泵出足够的热量，以与基于厚陶瓷的电子器件匹敌。

有趣的是，这些数字与基于相对巨大的陶瓷多层电容器的一个原型的13 K和1.22 W的值相似（图1b）。这种等效性似乎是对传统观念的挑战，即希望采用最大质量的EC材料，尽管考虑到EC材料的低导热性，为了确保没有区域离表面很远，希望采用最大质量的EC材料。

静电驱动EC双层产生的简单性和紧凑性促进了堆叠四个设备的能力。因此，通过避免使用其他地方使用的泵和执行器（图1a-c），可以减少这些无热量组件的质量。此外，由于堆叠中的每个双层设备相对于相邻器件反相循环而产生了两个积极的结果。

首先，热的瞬时流动是相对平稳的，因为双分子层可以从冷端吸收热量，同时在热端倾倒热量，模拟了在其他地方的反相操作10(图1a)。其次，能源效率得到了提高，因为每个放电双层膜可以帮助相邻的双层膜充电，正如最初在基于商用陶瓷多层电容的原型中所证明的那样。

基于柔性双层膜的电子器件由于体积小、重量轻，具有广阔的应用前景。尽管由于主动热质量很小，提高冷却功率可能很有挑战性，但考虑到上述基于与相对巨大的陶瓷多层电容器的原型之一的性能相似，我们有理由对此技术的前景感到乐观。因此，到底是使用具有机械灵活性的低质量聚合物双层膜，还是使用需要更高总质量的较厚陶瓷多层电容器，才能更好地推动应用的发展，还有待观察。

*本文翻译自Nature Energy期刊上Xavier Moya和Neil D.Mather合著的文章It’s not about the mass。如需了解原文内容，请点击阅读原文查看。