中科院发现新型盐水冷却，数秒降温50度，数据中心算力散热迎拐点

在AI时代，数据中心正成为全球能源消耗的“黑洞”。高性能AI芯片的功率密度飙升，散热问题已成为制约算力发展的最大瓶颈之一。据统计，全球数据中心冷却系统已占其总用电量的近40%，而随着AI训练和推理需求的爆炸式增长，这一比例还在持续攀升。传统制冷剂不仅效率低下，还含有氟利昂等温室气体，对环境造成巨大压力。

就在近日，中国科学院金属研究所李昺团队在《Nature》杂志上发表了一项颠覆性研究成果：他们发现了“溶解压卡效应”（dissolution barocaloric effect），利用一种简单的硫氰酸铵（NH₄SCN）饱和水溶液，通过压力变化实现超高效、零碳制冷。

https://www.nature.com/articles/s41586-025-10013-1.epdf

在室温条件下，这种“盐水”冷却液仅需20秒，就能将温度骤降近30℃；在更高温度环境中，降温幅度甚至可达54℃！理论制冷效率接近80%，远超传统压缩制冷系统。这项技术被视为数据中心散热乃至整个制冷行业的潜在革命性解决方案，有望大幅降低能耗，推动中国在AI基础设施领域的全球竞争力。

数据中心散热

要理解这项技术的意义，先来看看数据中心当前的散热困境。

随着ChatGPT、Sora等大模型的兴起，AI芯片的功耗呈指数级增长。NVIDIA的H100 GPU单卡功耗已达700W，即将量产的Blackwell系列B200更是突破1000W。单个机架的热设计功率（TDP）从过去的10-20kW飙升至100kW以上，部分超大规模AI数据中心机架甚至达到300kW。这意味着传统风冷已完全无力应对——空气导热系数低，难以高效带走热量。

行业因此转向液冷技术。2025年，液冷渗透率已快速上升至30%以上，包括单相浸没式、冷板式和喷射式等多种方案。

但现有液冷仍存在痛点：

能耗高：

压缩机、泵等设备耗电巨大，冷却系统整体占数据中心总电力的40%左右。

环境负担重：

传统制冷剂（如R134a、R410a）多为氢氟碳化合物（HFC），温室效应潜力（GWP）高达数千倍，已被国际《蒙特利尔议定书》逐步淘汰。

成本与复杂性：

高端氟利昂替代品昂贵，系统维护难度大；浸没式液冷还需要特殊绝缘液体，部署成本高企。

在中国，数据中心建设规模全球领先，“东数西算”工程正如火如荼。但电力供应与碳中和目标的双重压力，让高效绿色冷却技术成为刚需。央视报道指出：“冷却系统目前占数据中心总用电近40%，这一发现有望为高能耗设施提供更高效的冷却方案。”

溶解压卡效应

这项技术的核心是一种看似平凡的化学现象，却被研究团队巧妙转化为高效制冷循环。

研究人员以硫氰酸铵（NH₄SCN）为例，将其配制成接近饱和的60wt%水溶液。这种盐溶于水时会强烈吸热（溶解热效应），而施加压力又能促使盐析出并放热。

团队将这一过程与压力调控结合，形成闭环制冷：

1. 加压阶段

对饱和溶液施加压力（约数百巴），盐析出并释放大量热量。此时热量可通过换热器排出系统。

1. 卸压阶段

突然释放压力，析出的盐迅速重新溶解，强烈吸收周围热量，导致溶液温度急剧下降。

1. 循环重复

溶液温度降低后，可用于吸收外部热源（如芯片热量），然后再次加压排出热量，形成持续制冷。

研究团队用一个生动比喻解释：这就像一块湿海绵。水是“海绵”，硫氰酸铵是“被吸收的液体”。挤压海绵（加压）时，液体被挤出并释放热量；松开海绵（卸压）时，它迅速重新吸液体并从环境中吸收热量，导致快速冷却。

实验结果令人震撼：

在室温（约25℃）下，60wt%溶液卸压后20秒内温度下降26.8℃，最高可达近30℃。

在更高初始温度（如50-60℃，模拟数据中心热环境）下，降温幅度可超过50℃，最高记录54℃。

制冷量巨大，远超已知固态压卡材料。

理论卡诺效率接近80%，实际运行效率也显著高于传统蒸汽压缩制冷（通常50-60%）。

更重要的是，整个过程不依赖氟利昂等气体，而是纯液态溶液，实现了真正的零碳制冷潜力。

传统制冷剂面临双重危机：环境污染与效率瓶颈。

新技术则在多维度碾压：

• 零碳潜力：无温室气体排放，符合碳中和目标。
• 高效率：80%的理论效率意味着相同制冷量下耗电大幅降低。对于数据中心而言，若冷却能耗下降30%-50%，整体PUE（功率使用效率）可从1.5降至1.2以下，节省巨额电费。
• 材料友好：硫氰酸铵对常见金属（如铜、铝、不锈钢）腐蚀性低，无需特殊管道，与现有液冷基础设施兼容性高。
• 响应速度快：数秒至数十秒级降温，完美匹配AI芯片瞬时高负载场景。

除了数据中心，这项技术还可扩展至：

• 家用/商用空调：替代传统空调制冷剂，降低家庭能耗。
• 工业冷却：芯片制造、钢铁冶炼等高热场景。
• 热管理电池：结合此前团队的“热电池”研究，实现热量存储与再利用。

挑战尚存

任何新技术都不会完美。这项溶解压卡制冷也面临几点挑战：

1. 压缩能耗

仍需电力驱动压力变化，虽整体效率高，但压缩机功耗不可忽略。研究团队表示，通过优化压力循环和回收膨胀功，可进一步降低。

1. 材料安全性

硫氰酸铵具有刺激性，可引起皮肤灼伤和眼睛刺激；同时强吸湿性可能影响溶液长期稳定性。实际应用需密闭系统和安全操作规范。

1. 规模化验证

目前处于实验室阶段，需开展中试验证耐久性、循环寿命和系统集成。

1. 成本

硫氰酸铵原料廉价，但高压容器和控制系统会增加初始投资。

好消息是，这些挑战并非不可逾越。相比固态压卡材料（热传导差、响应慢），液态系统的热传递效率天然更高。团队已在论文中提出多种优化路径，如筛选其他盐类（硝酸铵、氯化铵等）或复合溶液，以提升性能和安全性。

中国在绿色制冷领域的突围

这项成果不仅是中国科学院金属研究所的骄傲，也是多单位合作的结晶（包括沈阳材料科学国家研究中心等）。《Nature》审稿人评价：“这开辟了压卡制冷的全新方向，液态溶解过程突破了固态材料的热传输瓶颈。”

在国际上，类似压卡、磁卡、电卡等固态制冷研究已持续多年，但受限于材料性能，始终难以商用。中国的溶解压卡效应直接跳过固态限制，实现了“弯道超车”。

对于AI竞争而言，这项技术意义重大。美国数据中心能耗已占全国电力4%，谷歌、微软等巨头正投入巨资研发新型冷却。中国若率先产业化，不仅能降低本土数据中心成本，还可在全球AI基础设施市场占据先机。

正如南华早报所言：“这种超冷却技术能否帮助中国在AI竞赛中占据优势？”

中科院这项《Nature》成果，像一颗重磅炸弹投向数据中心散热领域。一杯看似普通的“盐水”，却蕴含着改变行业的巨大能量。它不仅解决了效率与环保的双重难题，更为中国在AI时代的算力基础设施提供了绿色底座。

正如李昺研究员所言：“我们提供了一种全新的制冷原理。”从20秒降温30℃的实验室奇迹，到未来千万机架的低碳运行，这条路虽有挑战，但前景无限光明。

当AI算力成为国家竞争新高地，谁掌握了高效散热，谁就掌握了未来。这一次，中国科学家又一次走在了前面。