【项目名称】

极化高熵高分子中的巨电卡效应研究

【项目负责人】

钱小石

【项目完成人】

钱小石，韩东霖，郑力荣，陈杰，洪亮，黄兴溢，施骏业，陈江平

【项目完成单位】

上海交通大学

【项目简介】

随着近年来极端气候频繁出现，系统性气候变化正受到全世界高度关注。2022年夏季北半球，特别是高纬度地区的持续高温天气，使空调变革被提高到了前所未有的高度。国际能源署统计，目前制冷空调行业消耗全社会总用电量的四分之一；同时，由于常用制冷剂是强温室气体，在2050年前将贡献50%的碳排放当量。电卡制冷技术（Electrocaloric Refrigeration）使用固态材料高效循环制冷，从热力学循环上重新定义了制冷技术，理论能效是现有空调的4倍。电卡制冷技术有望为制冷行业提供柔性、透明、超薄、可穿戴、个性化、分布式的制冷/热泵技术补充，并被国际能源署于2020年列为未来重要变革性制冷/热泵技术之一，其零碳制冷、热泵能力亦符合世界低碳发展需求以及我国30-60双碳发展目标。

目前最优电卡材料（包含有机、无机材料）都需要极高电场（E>108 V/m）方能触发可用的制冷效应（DT> 5 K），电介质在高电场下存在电学疲劳甚至击穿。因此，更好的电卡制冷固态材料需要（1）更高的电卡效应；（2）更低的驱动电场；（3）更长的循环寿命。

围绕以上问题，项目组开展了针对电卡制冷效应、材料与系统的全流程研究工作，在固态相变调控理论、高分子电卡制冷材料与系统设计、热管理材料反馈控制原理等方面取得了创新成果：建立了固态相变熵调控理论机制和电卡制冷循环模型，发展了制冷高分子“缺陷增熵”调控方法，利用高分子主链内的双键诱导限域结晶，增加极化熵的同时显著降低了高分子相变能垒，制冷效应提高近300%；实现了电卡制冷固态工质的长寿命、大效应运行，首次实测了大电卡效应百万次低损耗循环，超过此前同行评议文献报道数据20000倍，突破了电卡制冷技术这一新兴研究方向的一项重大工程化应用瓶颈。该工作是我国科研单位首次在Nature上发表电卡制冷领域相关工作，亦是全球首篇高分子电卡制冷领域的Nature论文。

该工作成果相关已获得国家专利授权，团队目前正与国内氟化工头部企业联合开发具有自主知识产权的电卡制冷高分子材料，其核心性能已比肩国际产业化材料的水平（法国Arkema），获得企业方面的认可并全面开展新一阶段的合作，当前成果已填补国内空白。