Electric Induced Cooling Effect in Printable Thermogalvanic Cells
本文证明了可打印热电化学电池中固态制冷的 feasibility，其中超低电压驱动可逆电化学反应以实现约 0.1 K 的降温，为微型化电子系统的热管理提供了一种轻量化且柔性的解决方案。
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我们大多数人都依赖压缩机的轰鸣声和化学气体的循环来保持食物新鲜或让家居凉爽。这些传统的制冷系统效果很好，但它们笨重、需要复杂的机械，并且依赖于可能危害环境的材料。几十年来，科学家们一直在寻找一种更安静、更轻便的替代方案：固态制冷。这种方法利用电能来移动热量，而无需任何运动部件或有害气体。虽然一种被称为热电制冷的固态制冷技术已经应用于某些电子设备中，但它通常需要高电压，并会产生自身的废热，从而限制了其效率。另一个充满前景的方向是利用化学反应来吸收或释放热量，这一概念最近已从理论走向实践，演变成一种新型装置。
在最近的一项研究中，林雪平大学（Linköping University）的研究人员探索了一种特定类型的化学电池——热电化学电池（thermogalvanic cell），以观察其是否可以用于制冷。这些电池通常旨在从微小的温差中获取能量，但该团队研究了相反的过程：利用微小的电流来创造温差。通过向一个简单的、可打印的装置施加极低的电压，他们成功证明了电能可以诱发冷却效应。实验证实，这些装置可以使特定位置的温度降低一个微小但可测量的数值，证明了利用这种轻量化方法进行电子设备热管理是可能的。
研究人员使用类似于打印文档的方法制造了这些装置，不同之处在于，他们使用的不是墨水，而是活性炭层和含有铁基化学物质的液体溶液。他们将这些材料打印在薄铝片上，以创建两个由微小间隙隔开的电极。当他们施加仅为几毫安的直流电时——这远低于标准灯泡所需的电流——电极处的化学反应开始表现出不同的行为。在一个电极处，化学反应吸收了周围环境的热量，导致该点降温；而在另一个电极处，逆向反应释放了热量，导致其升温。这一过程是由化学物质在氧化态和还原态之间切换时产生的自然熵（即无序度）变化所驱动的。
为了了解这种制冷效果如何，团队测试了两个版本的装置。一个版本具有单层打印碳，另一个版本则具有三层。厚度的差异改变了装置的电阻，即材料抵抗电流流动的程度。在拥有较厚三层电极的装置中，其电阻较低。当研究人员在该装置中通入电流时，冷却效果清晰且稳定。随着电流增加，冷却电极处的温度下降了约 0.04 摄氏度，即 40 毫开尔文。然而，在具有单层较薄层的装置中，较高的电阻造成了不同的问题。随着电流流动，电阻产生了自身的产热，即焦耳热（Joule heating）。这种多余的热量迅速抵消了冷却效应，导致一旦电流过高，装置反而会变热而不是降温。
研究表明，这种制冷方法的成功完全取决于平衡两种相互竞争的力量。一方面是熵驱动的制冷，即期望的效果，即化学反应拉走热量；另一方面则是材料本身因电阻产生的热量。研究人员发现，如果内部电阻过高，电流产生的热量就会抵消掉制冷的益处。在他们表现最好的装置中，制冷功率达到了约 1.7 毫瓦，对于这样一个在如此低电压下运行的系统来说，虽然能量很小，但意义重大。该装置的效率（以提供的制冷量与消耗的电量之比衡量）在保持低电流时达到峰值 2.5。这意味着对于投入的每一单位能量，装置移动了 2.5 单位的热量，对于一个概念验证系统而言，这是一个相当不错的数值。
这些发现表明，尽管这项技术仍处于早期阶段，但前进的方向是明确的。冷却效应是真实且可测量的，但要使其在现实应用中发挥作用，需要改进材料以降低电阻。研究人员指出，通过优化打印层的厚度并选择更好的材料，可以最大限度地减少目前限制性能的废热。由于这些装置由丰富的非毒性材料制成，并且可以打印在柔性表面上，因此它们为冷却可穿戴电子设备或微型传感器提供了独特的潜力，而在这些场景下传统的制冷技术是无法实现的。这项工作为开发轻量化、可持续且能够依靠未来便携式设备所依赖的温和低功耗电力的固态制冷器奠定了坚实的基础。
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