来源：Joule

链接：https://doi.org/10.1016/j.joule.2025.102128

在全球能源与环境问题日益凸显的背景下，制冷技术的效率提升与环保转型成为关键议题。过去数十年间，传统蒸汽压缩制冷技术虽已广泛应用，但其能源消耗与环境影响的双重痛点逐渐凸显：据统计，该技术的耗电量占全球总电力消耗的 25% 左右，且受限于传热损耗与机械传动损失，其效率已接近理论天花板，难以进一步突破。更严峻的是，该技术所用制冷剂（如 R134a、R410a）具有极高的全球变暖潜能值（GWP），分别达到 1300 和 2088，被认定为全球变暖的重要驱动因素，与当前低碳环保的发展需求严重相悖，亟需新型制冷技术取而代之。

近日，广东工业大学鲁圣国教授团队针对传统蒸汽压缩制冷高能耗、高全球变暖潜能值，以及传热结构效率低的痛点，提出以无铅 BaSrTiO₃（BSTO）基多层陶瓷（MLCs）为核心，创新设计双策略可扩展叉指结构，实现全固态电热制冷器件的性能提升与规模化应用突破。团队采用 Sr²⁺掺杂 BSTO 制备 MLCs，通过流延法与还原气氛烧结工艺，将陶瓷层厚度控制为 30μm、内电极（Ni）厚度 1-2μm；200kV/cm 电场下，MLCs 有效电极区绝热温差（ΔT）达 4.02K（红外相机测量），与差示扫描量热法（DSC）、热电偶测量结果高度一致，且材料符合 RoHS 环保标准，解决铅基材料毒性问题。创新提出 “级联 + 并联” 双策略可扩展叉指结构 —— 级联通过多组叉指 “首尾连接” 形成温度梯度，提升冷热端温差（Tₛₚₐₙ）；并联通过延长叉指长度，使同组多片 MLCs 同步传热，提升制冷功率，突破传统 “单级单片” 结构的性能瓶颈。在叉指铜结构与 MLCs 接触处引入热垫（Laird Tflex700，导热率 5W/(mK)），显著降低固 - 固接触热阻（远优于空气导热率 0.027W/(mK)）；搭配聚四氟乙烯绝缘夹固定 MLCs，减少热传导损耗，同时适配不同尺寸材料。

首次实现无铅 BSTO 基 MLCs 与双策略叉指结构的结合，兼顾大温差、高功率与环保性，解决现有固态电热制冷器件规模化难题，为全固态制冷技术提供可复制的结构设计方案。研究成果以“Interdigitated structure-derived scalable all-solid state electrocaloric cooling device using lead-free BaSrTiO3-based multilayer ceramics”为题发表在《Joule》期刊。

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