时至今日，热泵的技术已经为一项越来越重要的技术，其应用范围从空调和制冷，到精密电子元件的稳定。据估计，空间制冷约占建筑物总用电量的20%，占全球总用电量的10%。

然而，冷却技术在过去的几十年里，似乎只是在原本基础上修修补补。蒸汽压缩制冷于1803年获得专利，至今仍是目前主要的冷却技术。

尽管蒸气压缩制冷沿用至今，但其本身存在着致命的缺陷。通常使用的高性能、不易燃的制冷剂是氢氟碳化物(HFCs)，它是全球变暖的罪魁祸首，通常比二氧化碳强数千倍。蒸汽压缩的根深蒂固阻碍了零全球变暖潜力(GWP)替代技术的发展。

20世纪90年代早期，俄罗斯莫斯科电力工程学院的科学家声称，他们可以支持热源和热浴之间高达12.7℃的温差，而陶瓷中的电热学效应的研究，也由此开始蓬勃发展。但这项工作不依赖于大型压缩机、水泵或磁铁，而且承诺提供高效、廉价和环保的空调。但事实证明，将这些成果转化为实际设备是困难的，因为与实验室中使用的薄膜相比，大块组件的材料特性非常不同。

对此，来自美国施乐公司帕洛阿尔托研究中心的研究人员，开发了一个可伸缩的高性能系统，它基于陶瓷电子材料在模块化级联自再生的架构，具有低的热损失。

研究者在一个使用部分有序PbSc0.5Ta0.5O3(PST)的系统中演示了该过程，该系统的工作元件是基于EC多层陶瓷电容器(MLCCs)。在室温下，极化场为10.8 MV/m时，该系统的绝热温度变化为5.2℃。

该成果于近期以“A high-performance solid-state electrocaloric cooling system”【⏬1】为题发表在Science。

尽管该研究没有展示任何温度的突破，却体现了实验室规模的设备如何扩大，以提供大规模地工业化生产和使用。研究者采用了电子工业中常用的大容量制造技术，用多层陶瓷电容器生产固态器件。这些电容器的直径只有几毫米，由铅钪钽矿制成。

该研究装置的核心是两层多层电容，它们排列在铜轨之间，由绝缘子隔开。上层有5个电容器，而下层有4个。执行器左右移动最上面的一层，这样它的四个电容器总是与下面的电容器对齐，而两端额外的一个则与下面的散热片接触。

布雷顿循环

研究者采用该设备，进行了多轮的热力学布雷顿循环，其中一个散热器逐渐冷却，而另一个作为外部热浴。

冷却发生在第一阶段，热量从四个电容器和下面的冷水槽，流向上面的五个电容器。

然后在第二阶段，移动顶层，施加电场，使偶极子排列，从而减少它们的熵。作为补偿，材料分子的振动熵上升，导致绝热温度上升。

随着上层的温度现在比热浴更高，第三阶段看到，在末端的电容器，把它的一些热量释放到接收器上。

最后，电场被关闭，上层的温度下降到下层的温度以下，还是绝热的。然后循环往复。

该研究发现，当施加一个略高于10 MV/m的电场时，电容器每次循环的绝热温度上升(和下降)2.5℃。在大约100个循环中，冷水槽缓慢但稳定地冷却，发现它的温度比热水槽下降了5.2℃。同时，研究者还测量了135 mWcm-2的热流，比其他电热式冷却系统高出四倍多。

研究人员预计，通过调整电容器的大小和形状，以及对系统进行其他调整，应该能够将热泵效率提高50%以上。而这将使它能与“蒸汽压缩冷却”相竞争。

更高的温差

无独有偶，同样的时间段，Science发表了另一篇来自不同课题组关于电热冷却技术的文章，题为“Giant temperature span in electrocaloric regenerator”【⏬2】，这是来自卢森堡科学技术研究所研究者的最新成果，他们在一个稍微不同的系统中实现了高达13℃的更高的温差。他们采用钽酸铅制成的多层电容器，但通过在多孔的高热量固体中来回传输介质流体，获得了更大的冷却效果。

该研究还估计，通过减少电容器的厚度(0.2 mm)，并使用水而不是电介质，可实现高达47.5℃的跨度。但该技术仍处于相对早期的研究阶段，并表示实际应用将需要具有更高击穿场和更好的电气绝缘的电容器。