摘要：这听起来像是科幻情节，但事实上，这种被称为“冰电池”（ice battery）的技术已经悄然进入现实——而科学家正在努力让它变得更高效、更耐用。
撰文 | Bell
编辑 | 小雨
炎炎夏日，空调成了续命神器，但也让电网压力山大。
手捧冰奶茶的午后，你有没有想过，我们是否能像给饮料加冰那样，也给建筑“加冰降温”呢？
这听起来像是科幻情节，但事实上，这种被称为“冰电池”（ice battery）的技术已经悄然进入现实——而科学家正在努力让它变得更高效、更耐用。
来自德州农工大学（Texas A&M University）的材料科学与工程系副教授Patrick Shamberger博士与其团队，正在致力于改进这类蓄冷（热）系统。
他们最近在《The Journal of Physical Chemistry C》发表论文，探讨如何通过材料科学的突破，让“冰电池”更稳定、更环保，也更经济。
所谓“冰电池”，其实是一种蓄冷（热）系统，利用物质温度变化和相变过程实现能量存储。
它的原理并不复杂：在夜间电力需求较低、电费也更便宜的时候，用电制冷，将水或其他相变材料冻结成冰。
到了白天用电高峰，这些储存起来的“冷能”就可以通过循环泵用于建筑物的制冷，从而大幅减少白天的电网负荷。
其实，我国古人自汉代之前就有利用冰块给建筑降温的“零排放”方式，当时的人们为了应对酷暑，在冬季把冰块藏在地窖，到夏天拿出来消暑。
到了唐代，据《开元天宝遗事》记载，杨氏贵族子弟每至伏中，取大冰，使匠琢为山，围绕在宴席间，以至于有人要穿棉衣。
不过，现代的“冰电池”不再是贵族的特权，而且规模超乎想象——据Shamberger介绍，一些大型冰电池系统一晚上可以冻结约50万磅（约226吨）的冰。
图说：美国特灵公司开发的冰基热能储存罐
“冰电池”虽然并不新颖，但也并不完全成熟——这项技术仍存在着不少瓶颈，尤其是在相变材料（PCMs）方面。
Shamberger的研究提出了关键挑战：如何使这些系统内的材料更高效、更稳定、更持久？
Shamberger指出，目前常用的介质是水，但因为冰点固定（0°C），其适用温度范围有限。而且，传统制冰过程本身耗能较大，科研人员正在开发新型储冷材料。
他的团队正在研究一类叫做盐水合物（salt hydrates）这类相变材料——这些是结晶中含有水分子的盐类化合物，可以在更广泛的温度范围内进行相变蓄冷或蓄热。
研究中遇到的一个核心技术难题是“相分离”现象。某些盐水合物在经历多次冻融循环后，其成分会逐渐分离，形成不同组成和密度的固液两相，导致材料性能衰减。
为了克服这一挑战，Shamberger教授的团队正致力于通过深入研究材料的热力学性质，寻找那些能够在多年循环使用中保持性能稳定、不易发生相分离的材料成分。
在发表的论文中，研究团队聚焦反应性水合盐相变材料（PCM）中成核颗粒（nucleation particles, NPs）的活性机制，特别是以六水合氯化钙（CaCl₂·6H₂O, CCH）为研究对象。
水合盐PCM（如CCH）具有高能量密度和低成本等优点，但存在严重的过冷现象（undercooling），即液态材料在低于熔点时仍不结晶。
研究人员在实验中发现，利用原位化学反应生成具有高缺陷密度的固溶体颗粒，可作为高效成核剂。而通过选择适当的前驱体，即可生成具有高表面缺陷的固体，从而促进成核。
这一发现为开发低过冷水合盐PCM提供了一种新途径：通过可控化学反应设计成核剂，而非依赖传统的结构匹配策略。
通过热力学分析与成分调控，Shamberger团队旨在寻找那些能在成千上万次循环中仍保持稳定的材料配方。
通过在水里添加特定元素和分子，研究团队研制出可在0°C至20°C之间精确控温的材料。
该团队旨在提高能源效率并使系统更兼容冷却和加热应用，特别是在使用热泵的建筑物中。一套设计良好的热能储存系统可以同时应对冬夏两季的需求。
研究团队的目标之一，就是开发出能同时适用于制冷与供暖的“双向”材料系统，使其在不同季节都能发挥最大效益。
除了建筑物降温之外，“冰电池”还能在稳定整个电网方面发挥重要作用。
随着风能和太阳能等更多可再生能源的投入使用，电网的波动性也越来越大。
今年4月，一场大范围停电事故席卷了西班牙和葡萄牙，伊比利亚半岛数千万人受到影响。
据中国南方电网报道，此次西班牙大停电事故暴露出的重大问题是高比例新能源电力系统的电压调节能力不足。
而“冰电池”这类热能储存技术，恰恰可以在电网中扮演“缓冲器”的角色。它们能在电力过剩时（如夜间）储能，在电力紧张时释能，从而实现“削峰填谷”，减轻电网压力。
在全球日益频繁的极端高温下，各国用电需求攀升导致电网崩溃事件频繁发生。
今年8月11日，受“创纪录高温”和“用电需求飙升”等因素影响，伊拉克国家电网大范围崩溃，造成该国中部和南部多地停电。
7月，意大利因持续高温，居民和商家大量使用空调，导致电力系统不堪重负，罗马、米兰、佛罗伦萨多个街区频频发生停电，·甚至有中国游客在米兰大教堂中暑晕倒。
美国的情况同样严峻。今年6月美国东部遭遇“热穹”（Heat Dome）现象。
联合爱迪生公司 (ConEdison) 6月23日下午报告，纽约市超过14,000名客户主要由于“天气相关”原因遭遇全部或部分停电。
而美国最大的电网运营商PJM互联电网（PJM Interconnection）和中西部的MISO电网均向发电企业发布预警，要求他们做好准备，在热浪期间尽可能多发电。
在宾夕法尼亚州的PJM西部枢纽，6月24日电力价格飙升超过430%，达到约211美元/兆瓦时，创下自一月份以来的最高水平。相比之下，PJM的平均电价仅为每兆瓦时55美元。
“我们不想通过建造更多发电厂来解决电网问题，” Shamberger表示。“这是一个非常昂贵的解决方案，而且电费也会上涨。”
Shamberger认为问题不在于发电总量不足，而在于用电高峰时段的集中需求给电网带来巨大压力。
他认为，与其扩建发电设施，不如发展储能技术。“冰电池”就是其中一种解决方案，还可以保持电力价格更实惠。
通过在能源价格低廉时将水冷冻，并在需求高时使用，建筑业主可以降低成本，并为构建更具韧性的电网做出贡献。
目前已有一些“冰电池”系统投入使用。例如，纽约市30层的Eleven Madison大厦就安装了冰电池系统，以帮助管理其能源使用。
图说：Eleven Madison大厦
该系统的制造商特灵公司（TRANE）表示，这种系统最高可降低40%的制冷成本。
当其他建筑在七月酷暑中消耗大量电力降温时，这栋楼完全不需要用电，因为它已经在前一晚准备好了冰块。
Shamberger希望，随着新材料的改进，这些系统能够得到更广泛的应用，并与现代暖通空调系统无缝衔接。
Reference：
[1]https://interestingengineering.com/energy/ice-batteries-for-buildings
[2]https://interestingengineering.com/energy/ice-battery-keeping-buildings-cool-without-acs
[3]https://stories.tamu.edu/news/2025/08/27/ice-cooled-buildings-could-ease-strain-on-power-grid/#:~:text=How It Works,energy use and lowering costs
[4]https://techxplore.com/news/2025-08-ice-cooled-ease-strain-power.html#google_vignette
[5]https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpcc.4c03913
[6]https://www.trane.com/commercial/north-america/us/en/products-systems/thermal-battery-systems.html
[7]https://www.cpnn.com.cn/news/baogao2023/202508/t20250804_1821277_wap.html
[8]https://news.10jqka.com.cn/20250707/c669437897.shtml
[10]https://theory.dahe.cn/2025/07-23/1966886.html
[11]https://byteclicks.com/66252.html9
来源：环球零碳