图 通过设计极化高熵材料提高低场电卡效应
在国家自然科学基金项目（批准号：52076127）等资助下，上海交通大学钱小石副教授组织跨学科交叉研究团队，在电卡制冷效应方面取得进展，相关研究成果以“高熵聚合物在低场下产生巨大的电卡效应（High-entropy polymer produces a giant electrocaloric effect at low fields）”为题，于2021年12月23日发表在《自然》 （Nature）杂志上。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-04189-5/metrics。这是我国科研单位首次在《自然》杂志发表以电卡制冷为主题的论文。
电卡制冷技术利用固态电介质充放电过程中的可逆电致温变组成制冷循环，能效高、无有害气体排放，易于小型化/轻量化，是制冷领域重要前瞻技术之一。该领域研究涉及工程热物理、凝聚态物理、电气工程、机械工程等学科，具有显著学科交叉特色。目前，最优的制冷电介质仍需极高外加电场激发制冷效果，极易造成材料老化与击穿，因而，如何提升材料在低电场下的电致熵变是应用领域亟需攻克的难题。
研究团队通过精巧设计分子缺陷调控弛豫铁电材料，制备了一种极化高熵高分子，显著提高低电场下的巨电卡效应，并首次将循环寿命提高至逾百万次。在较低外加电场（50 MVm-1）的驱动下，这种极化高熵材料表现出的电卡效应是目前最优制冷高分子的近4倍。多种结构表征均表明，高熵高分子同时具备更高的结晶度与更小的晶粒尺寸，据此可推测材料内呈现极化基元数量的显著增长，系统具有更高的自由度与极化熵。高熵高分子在约40 MVm-1的低电场以上即可超过工程应用的电卡效应门槛。循环超过百万次后制冷/制热能量可逆性显著提高，制冷效应仅衰减不足10%。使用该型高熵高分子的主动回热型制冷系统理论温跨超过50°C、大温跨工况下热力学完善度超过80%（图）。