来源 | Nature

链接 | https://doi.org/10.1038/s41586-025-10013-1

01

背景介绍

近年来，基于固体相变的制冷技术因无气体排放而受到广泛关注。2019年，压卡效应的发现 [Nature 567, 506 (2019)]，为低碳大冷量固态制冷技术提供全新的解决方案。然而固态相变制冷技术仍然存在一个突出的内禀难题：与气体压缩制冷技术中气体工质的传质传热不同，固体只能通过热传导传热，固体制冷工质与换热器之间必须采用流体来间接换热，界面热阻的存在使得系统制冷效率与大功率应用受限。因此，能否同时实现低碳、大冷量与高换热效率，成为制冷领域的关键问题。

“压卡效应”可以形象地理解为：就像用力挤压一块干燥的海绵，海绵内部结构被压紧时会发热；松开手后，海绵迅速回弹，会从周围吸收热量而变凉。这种固态材料靠自身结构变化来制冷的方式，虽原理新颖，但传热慢、制冷量有限。而新发现的“溶解压卡效应”则相当于挤压一块吸满盐水的湿海绵——挤压时盐水被挤出并放热，松开手时海绵重新吸回盐水，这一过程会强力、快速地吸收周围大量热量。它不仅制冷能力更强，还因为液体本身能流动传热，一举解决了传统固态材料“造得出冷、却送不走热”的工程难题，为高效、紧凑的冷却系统开辟了全新可能。
                                                                                                                    

长期以来，中国科学院金属研究所李昺研究员始终围绕一个核心问题展开：是否存在一种不依赖气体压缩、同时兼具高能效与低碳属性的制冷与储热新机制。早期在中国科学院金属研究所攻读博士期间，他从磁卡制冷入手，系统研究了磁热效应在固态制冷中的物理基础，尝试以外场驱动的熵变过程替代传统蒸汽压缩制冷路径。此后在美国弗吉尼亚大学及橡树岭国家实验室开展博士后研究期间，他借助高压中子散射和同步辐射手段，深入研究结构无序材料在外场作用下的动力学响应，这一阶段的工作为其后续探索压力驱动的相变热效应奠定了实验与方法学基础。

李昺

2015年至2018年在日本散裂中子源（J-PARC）的研究经历，使其得以系统研究塑晶等分子取向高度无序的功能材料。通过对分子转动自由度及其对压力敏感性的精细表征，李昺逐渐意识到，压力不仅可以作为调控结构有序性的有效外场，还可能诱导远超传统弹性响应的显著熵变过程。回国加入金属研究所后，他进一步将这一认识拓展为压卡效应研究，并在2019年首次在 Nature 上报道了基于塑晶材料的显著压卡制冷效应，证明了以“压力”替代“压缩机”的固态制冷路径在物理上是可行的。

在随后的研究中，李昺并未止步于制冷本身，而是将视角延伸至热能的存储与再利用。他发现，部分塑晶体系在温度与压力协同调控下，可实现热量的吸收、锁定与可控释放，从而将制冷与储热统一于同一材料框架中。这一思路不仅拓展了压卡效应的功能边界，也为解决能源系统中冷热分离、能量难以调控的问题提供了新的材料学路径。正是在这一持续演进的研究脉络下，团队进一步提出并验证了溶解压卡效应，为实现高功率密度、高传热效率的零排放制冷系统奠定了基础。

02

成果掠影

近日，中国科学院金属研究所李昺、北京高压研究中心李阔、西安交通大学钱苏昕和中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所童鹏研究团队发现了溶解压卡效应，即利压力调控的溶解/析出热来实现高效制冷。在研究硫氰酸铵盐（NH₄SCN）时，发现盐溶于水中时释放大量热量，施加压力时会刺激沉淀，并在制冷循环中重复此过程。与传统固态方法中热量难以跨界流动不同，这种新的“溶液压力热量”方法将制冷剂和传热介质整合为单一流体。该设计通过同时实现低碳排放、高冷却能力和高传热效率，解决了热量材料的“不可能三角”问题。室温下，溶解温降随着浓度变大显著增加；对于接近饱和的60 wt% 溶液其溶解过程可在20秒内完成，产生近30 K的温降；该温降随着环境温度的升高快速升高，在环境温度为345 K时达到了54 K。远超现有固态高压热量材料的冷却时间。该技术超越了基于各种相变的传统制冷原理。将“冷却剂”转化为可直接泵入热交换器的流体，为商业化强力零排放制冷系统铺平了工业和家庭用的道路。尤其，其卓越的高温性能使其成为满足下一代人工智能计算中心严格热管理需求的理想选择。研究成果以“Extreme barocaloric effect at dissolution”为题发表在《Nature》期刊。

03

图文导读

图1|溶解时的极端压热制冷概述。a，使用NH₄SCN水溶液的四步类卡诺制冷循环示意图。与需要外部传热介质的传统固态热制冷剂不同，本设计可通过溶液循环进行直接传热。黑色箭头表示外部压力对溶液做功。b，在NH₄SCN水溶液的相图上示出的类卡诺冷却循环。x1、x2、x3和x4分别是在状态1、2、3和4下的NH₄SCN浓度; p1和p3分别是状态1和3下的压力。c.溶解时NH₄SCN的最大Δ T转移与现有技术的热材料的比较，包括磁热效应（MCE）、电热效应（ECE）、弹性热效应（eCE）、离子热效应（ICE）和BCE。d.比较制冷技术及其优点的维恩图。具有低全球变暖潜能值（GWP）的蒸汽压缩制冷（VCR）制冷剂包括R-1225ye（Z）（参考文献2）：EC-NaI，碳酸乙烯酯-碘化钠; HFC，氢氟烃; NPG，新戊二醇; P（VDF-TrFE），聚（偏二氟乙烯-三氟乙烯）。

图2| a.在0.1 MPa和2 K/min的升温速率下测量的60 wt%溶液的DSC曲线。b、c，在0.1MPa下60wt%溶液在冷却（b）和加热（c）时的变温SXRD图案的等高线图。勾号表示布拉格峰的位置，水平虚线表示与突变对应的特征温度。a.u.，任意单位; 2θ，衍射角。

图3|压力调谐沉淀和溶解。a，室温下不同压力下60wt%NH₄SCN水溶液的原位拉曼光谱，虚线表示特征模式B，c，晶格振动（b）和ν（C≡N）（c）的放大图d，常压下50wt%溶液和400MPa下15wt%溶液的DTA曲线，ν，振动频率。

图4|制冷性能的评价。a，在298 K水浴条件下的非原位Δ T转移。b，作为基础温度的函数的60wt%溶液的非原位Δ T转移。所有数据表示为平均值±标准偏差。每个报告的值从三个独立的实验中获得。c，在298 K下，在逐步加压和快速降压时观察到的原位Δ T转移。p ON表示加压，p OFF表示降压。d，在200 MPa下的快速加压和降压循环。e，模拟制冷量（每单位质量的水溶液）和不同沉淀量的效率。基于空气调节应用的AHRI 210/240标准45，散热器温度为308 K，热源温度为300 K。最大溶液浓度为63wt%。模拟了不同温度范围下的制冷能力和制冷效率，散热器温度固定在308 K。

扩展数据图1|加热-冷却不对称性的动力学特征。a，DSC曲线与图2a的放大视图。b，在环境压力下60 wt%NH₄SCN水溶液的DTA曲线。c，来自B的Magnetic视图。DSC和DTA数据的冷却和加热曲线都表现出明显的不对称性。在冷却时，观察到两个放热峰，对应于NH₄SCN固体的沉淀以及NH₄SCN固体和冰的共晶共沉淀。在加热时，仅出现与共晶溶解相关的单个吸热峰。在共晶线之外，NH₄SCN的溶解是一个渐进的过程（250-290 K），导致没有明确的峰。

扩展数据图2|固体NH₄SCN和去离子水的拉曼光谱。a，298 K下NH₄SCN固体的拉曼光谱。b，293 K下去离子水压力下的原位拉曼光谱。

扩展数据图3|响应时间研究使用光学显微镜观察60重量%的溶液在一个快速的压力斜坡过程。a-f，压力斜升。g-l，压力斜降。溶解/沉淀响应在压力改变时立即发生。*R表示金刚石砧座单元的垫圈中钻的孔的半径。

扩展数据图4。|15wt%NH₄SCN水溶液在400MPa压力下的高压差热分析曲线表明，在常压下，冷却时有两个明显的峰，分别对应于冰的析出和随后的共晶析出。随着压力的增加，两个峰向低温移动，并在400 MPa时逐渐合并为一个峰。注意，在400 MPa下约245 K的加热过程中有一个非常宽的隆起，这可能归因于溶解的非平衡动力学。

扩展数据图5| NH₄SCN水溶液的非原位Δ T转移作为浓度和基础温度的函数。所有数据均以平均值±标准差表示。每个报告值均来自三个独立的实验。

扩展数据图6|隔热条件对Δ T传递的影响。三种不同传热或隔热条件下NH₄SCN水溶液的非原位Δ T传递：a，在恒温水浴中（最强传热）; b，露天; c，烧杯周围有隔热泡沫层以减少热损失。e、露天; f、用绝缘泡沫。g，不同绝缘条件和溶液体积下的最大非原位Δ T转移的比较。所有数据均以平均值±标准差表示。每个报告值均来自三个独立的实验。

扩展数据图7|在298 K. a下，60 wt% NH₄SCN水溶液在不同加压方案下的原位ΔTtransfer，逐步加压，压力以50 MPa的增量增加到200、400和600 MPa，然后在每个阶段快速卸载。b，使用较小体积的电池测量的原位ΔTtransfer（0.31 mL），通过压力机手动施加压力。p ON表示加压，p OFF表示减压。

扩展数据图8|类卡诺冷却循环示意图和相关的熵产生。a，温度-熵图上的类卡诺冷却循环。虚线表示不同的浓度。1-2是绝热加压。2-3是压力增加到其最大值时的等温排热。3-4是绝热减压。4-1是压力降低到零时的等温冷却。b，由于压力滞后而产生的估计熵。

04

作者信息

李昺，中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心研究员，主要从事磁卡制冷材料、压卡制冷材料、零碳制冷技术和可控储热技术的基础研究与应用研发，形成了以大科学装置表征技术为特色手段，以揭示深层次物理内涵为主攻方向，坚持贯穿物理原理、材料优选、器件设计、系统集成全创新链的研究格局。累计在Nature、Nature Materials、Nature Communications等国际主流学术刊物上发表学术论文70余篇论文；提交专利申请11项，已授权2项。发现并命名了庞压卡效应，设计了首个压卡制冷样机。

李阔，北京高压科学研究中心研究员，博士生导师，中物院优秀导师。2020年获国家自然科学基金委优秀青年科学基金项目资助，2017年获中国化学会青年化学奖。2006年在北京师范大学化学学院获得理学学士学位；2011年在北京大学化学与分子工程学院获理学博士学位；2011-2014年在美国卡内基研究院地球物理实验室从事博士后研究，期间常驻美国阿贡国家实验室、美国橡树岭国家实验室。目前担任中国材料研究学会极端条件材料与器件分会委员，中国化学会高压化学专业委员会委员，《极端条件下的物质与辐射》编委等。研究方向：高压化学与晶体学、高压物理化学。高压聚合反应与碳基材料合成、表征，非平衡态高压化学过程。

钱苏昕，西安交通大学教授，博士生导师，制冷与低温工程系，西安交通大学能源与动力工程学院，西安交通大学“领军学者”；研究领域：新型固态制冷技术：弹热制冷；磁制冷；制冷与热泵系统先进仿真技术；制冷、空调、热泵设备节能技术。2016年回国后主持国家自然科学基金"单级弹热制冷循环性能优化研究"项目，提出滚轮驱动新架构实现78%功回收效率，开发TiNiCu三元合金新工艺提升材料效率125%。2024年研究成果《高效滚轮驱动的弹热制冷系统》发表于《自然•通讯》，系统级制冷性能系数达1.27（零温跨条件下）。获2024年西安交通大学"领军学者"、2023年"青年拔尖人才"及中国新锐科技人物杰出成就奖。现任国际制冷学会固态制冷工作组委员、中国制冷学会未来制冷技术工作组副主任委员。 

童鹏，中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所博导，研究员，国家优秀青年科学基金；2007年毕业于固体物理研究所，获博士学位；2007-2008年在韩国釜山国立大学从事博士后研究；2008-2011年在美国弗吉尼亚大学从事博士后研究；2012年至今在固体物理研究所工作。研究方向：1）负膨胀、零膨胀材料；2）新型金属基复合材料；3）固态相变制冷、储能与热管理材料。长期从事功能材料研究，在Nature Communications、Acta Materialia、Scripta Materialia、Materials Horizons等发表学术论文100余篇。主持国家基金委大科学装置联合基金项目、中国科学院前沿重点研究计划、合肥物质科学研究院院长基金融合专项等项目。

相变材料经过多年的研究发展，正处于产业化的黎明前夕。由 DT新材料 主办的 第三届相变材料创新与应用论坛 定于 2026年4月16-18日 在 广州 召开论坛以“智启相变・赋力千行”为主题，由华南理工大学张正国教授、北京大学邹如强教授、深圳大学崔宏志教授担任大会主席，天津工业大学张兴祥教授担任大会顾问。

聚焦PCM材料开发及前沿探索、电池热管理、建筑/空调等固定式场景储能应用、冷链物流/储热车等分布式场景应用、电子与高端装备热管理及PCM智能纺织品等热点话题，旨在促进相变领域学术界和企业界之间的交流与合作，探讨行业最新前沿和突破，推进技术与应用创新。论坛组委会诚邀领域专家、学者学生，以及产业界人士共同参与，共同推进相变产业新未来。