在炎熱的夏季，冰塊一直是保持飲品冰涼的主要解決方案，但最近的研究者們正在將這個概念推向更高的層次。德克薩斯 A&M 大學的科學家們正在開發先進的「冰電池」，這種技術可以以更高的效率儲存和釋放熱能。這項研究的成果可能會改變大型建築物的供熱和制冷管理方式，並減輕電網的壓力。德克薩斯 A&M 大學材料科學與工程系的副教授 Patrick Shamberger 博士正在主導這項研究，致力於改善這些系統所用材料的性能。他的團隊發現可以顯著提升這些系統在實際應用中的運行效率。
Shamberger 博士解釋，雖然冰電池技術已存在多年，但其性能仍然在很大程度上取決於所用材料。他的研究專注於尋找更好的解決方案，使這些系統變得高效、穩定且耐用。冰電池的運作原理相對簡單，通常是在夜間電力需求低、電價便宜時將水或其他材料凍結。在白天，儲存的冷能被釋放以冷卻建築物，這樣可以減少高峰時段對電網的壓力，並降低消費者的開支。Shamberger 表示：「冰電池技術已經存在一段時間，但在材料方面仍有一些問題需要解決，包括什麼材料在何種溫度下最合適？我們能否使其可逆？能否使其使用壽命達到 30 年？」
儘管這些系統能通過降低白天的需求來節約能源，但它們在夜間仍需消耗大量電力。大規模的系統每晚能凍結近 500,000 磅的冰，因此在材料層面提高效率至關重要，因為存儲和釋放的微小改進可以轉化為巨大的節省和更可靠的性能。研究團隊正在測試氯化物水合物等化合物，這些化合物在其晶體結構中自然含有水分子。根據條件的不同，它們能夠吸收和釋放熱能。通過調整化學成分，研究人員旨在設計出能在最適合實際制冷和供熱系統的溫度下工作的材料。
這種兼容性對於使用高級 HVAC 系統或熱泵的建築物尤為重要，這些系統能夠同時加熱和冷卻空間。通過更精確匹配的材料，冰電池系統不僅能儲存冷能，還能支持不同建築需求的靈活能源使用。其中一個主要的技術挑戰是「相分離」。在許多氯化物水合物系統中，材料會根據不同的密度和成分分為固相和液相，這種分離會降低系統在多次循環過程中的可靠性和效率。該研究深入探討這些變化的熱力學，旨在尋找不會退化的化合物，最終目標是創建能夠在數十年內可靠循環而不失去性能的材料。
冰電池不僅對建築物有重要影響，還可能在穩定整個電網方面發揮重要作用。隨著風能和太陽能等可再生能源的逐步進入，電網變得越來越不穩定。在可預測的時間儲存熱能並在需求激增時釋放將有助於平衡這種變化。研究人員指出：「我們不想通過建設更多的發電廠來解決電網問題，這是一個非常昂貴的解決方案，並且最終將需要更高的整體電價。」相反，像冰電池這樣的系統可以幫助減少對新電廠的需求，並保持電價的可承受性。通過在能源便宜時凍結水並在需求高峰時使用，建築物的所有者可以降低成本，並促進更具彈性的電網運行。
目前已有一些系統投入使用，例如位於紐約市的 30 樓 Eleven Madison 大廈已安裝冰電池系統以幫助管理其能源使用。Shamberger 博士希望隨著新材料的改進，這些系統能夠更廣泛地應用，並與現代 HVAC 設備無縫運作。這項研究最近發表在《物理化學期刊 C》。
