液态金属赋能柔性电子器件

研究背景

可拉伸电子器件的快速发展有望实现新型人机界面和软设备。传统的刚性电子器件被封装在包装材料中，以使反应性物质(如氧气和水)远离敏感材料，从而确保器件的长期稳定性。

关键问题

然而，可拉伸电子器件的发展仍存在以下问题：

1、没有等效的可拉伸包装为可拉伸设备和系统提供密封

可拉伸材料，如弹性体，具有大的自由体积和高的链流动性，因此易于渗透气体。因此，杨氏模量低的材料通常具有较高的透气性。

2、现有手段无法实现拉伸性能和密封性能的耦合

将具有低杨氏模量的材料(如弹性体)与具有低透气性的材料(如无机或金属材料)相结合，要么显示出有限的拉伸性能，要么显示出有限的密封性能。

新思路

有鉴于此，上海交通大学邓涛团队等人展示了液态金属作为可拉伸密封件的使用，液态金属具有金属性和流动性。这种软密封既用于可拉伸电池，也用于涉及挥发性流体(包括水和有机流体)的可拉伸传热系统。电池在500次循环后的容量保持率为~ 72.5%，密封的传热系统在应变和加热时的导热系数增加了约309 W/m kelvin。此外，随着信号传输窗口的引入，作者演示了通过这种密封件的无线通信。这项工作提供了一种为软器件创建可拉伸且密封的包装设计方案的途径。

技术方案：

1、测量了LMs的透气性

作者采用真空填充法向腔内填充EGaIn，制作了阻挡膜测量EGaIn的透气性，表明了LMs优异的密闭性。

2、演示了可拉伸电池集成间隔器的LM基密封的设计和制造

作者展示了集成到可拉伸LIB中的基于LM的密封的关键部件，测量了密封LIB的应力-应变曲线以及密封性能。

3、表征了LM基密封可拉伸LIB的电性能

作者分别在有无变形的条件下，研究了LM基密封的可拉伸LIBs的电性能，LIBs表现出优异的稳定性和高库伦效率。

4、探究了用于可拉伸相变传热装置和无线通信的LM基密封

作者进一步描述了这种基于LM的密封在可拉伸相变传热研究中的应用，在10%应变下，其导热系数提高了~309 W/(m K)。作者还利用改进的激光基密封制作了一种无线通信装置。

技术优势：

1、利用液态金属的金属性和流动性实现了软密封

作者研究了LMs的密封性能，并演示了由LMs与间隔器集成实现的可拉伸密封。这种软密封既用于可拉伸电池，也用于涉及挥发性流体(包括水和有机流体)的可拉伸传热系统。

2、实现了软密封在无线通信中的应用

随着信号传输窗口的引入，作者演示了通过这种密封件的无线通信。这项工作提供了一种为软器件创建可拉伸但密封的包装设计方案的途径。

3、获得了优异的密封性及高稳定性

软密封的电池在500次循环后的容量保持率为~ 72.5%，密封的传热系统在应变和加热时的导热系数增加了约309 W/m kelvin。

技术细节

LMs的透气性

为了测量EGaIn的透气性，采用真空填充法向腔内填充EGaIn，制作了阻挡膜。测量了两种有代表性的气体的渗透性:水蒸气和氧气。经过约94小时的测量，通过EGaIn样品的水通量达到WVTR渗透分析仪的测量下限。计算水的PEGaIn为9.6×10−21 m2/(s Pa)，比PDMS的PEGaIn小4个数量级。EGaIn通过样品的氧通量达到2.5×10−6 cc/day，这也达到了OTR渗透分析仪的测量极限。氧的PEGaIn比PDMS的PEGaIn小8个数量级以上。

图  LMs的透气性

LM基软密封

作者演示了可拉伸电池(特别是具有水基电解质的锂离子电池)集成间隔器的LM基密封的设计和制造。作者展示了集成到可拉伸LIB中的基于LM的密封的关键部件。测量了密封LIB的应力-应变曲线，并将其与未采用基于LC的密封的对照LIB进行了比较，两条应力应变曲线几乎重叠。

通过监测填充水基电解质的锂离子锂的质量变化来表征锂基密封的密封性能。在原始状态和20%应变下，基于LM密封的LIB的质量在24小时的测量中都没有变化。相比之下，没有LM密封的对照LIB表现出快速的质量损失，表明水汽通过PDMS片向外渗透。

图  用于LIBs的可拉伸密封

LM基密封可拉伸LIB的性能

首先在不变形的情况下，研究了有无LM基密封的可拉伸LIBs的电性能。结果表明有LM基密封的LIBs在140次循环后的可逆容量保留率为~90%，在500次循环后的可逆容量保留率为~72.5%。相比之下，没有LM基密封的对照LIB表现出较大的容量衰减，由于水蒸气向外渗透和空气通过PDMS薄片向内渗透，在160次循环后完全失效。

采用LM基密封的锂离子电池的库仑效率为~98%。在变形条件下，进一步表征了具有LM基密封的可拉伸锂离子电池的电性能。LIB在电流密度为0.6 mA/cm2，工作势窗在0.2 - 1.7 V之间。

图  可拉伸LIBs在无变形情况下的电性能

用于可拉伸相变传热装置和无线通信的LM基密封

除LIBs外，这种基于LM的密封也可用于其他可拉伸系统。作者进一步描述了这种基于LM的密封在可拉伸相变传热研究中的应用，即可拉伸电子器件的传热管理。在基于相变的传热装置拉伸操作过程中，即使在加热下，密封也能很好地工作，在10%应变下，其导热系数提高了~309 W/(m K)。由于LM是电导体，它可以阻止电磁通信进出密封。

在基于lm的密封设计中，在原始设计中加入了一个玻璃窗。在设计中，采用了玻璃窗口在传输电磁波的同时，在局部起到密封作用。围绕着玻璃窗的LM提供了可拉伸性，并密封了设备的其余部分。为了表征新设计的激光基密封的无线通信性能、拉伸性能和透气性，利用改进的激光基密封制作了一种无线通信装置。

图  塑性密封可拉伸LIBs在变形作用下的电性能

展望

总之，通过间隔层的集成，本工作展示了一种可拉伸的LM基密封，该密封具有低渗透性，可以阻止氧气、水和乙醇等气体和蒸汽的传输。此外，LMs具有金属、热、化学和电学特性，可以进一步利用这些特性在这种封装电子器件的屏障材料中实现额外的功能。考虑到所证明的阻挡特性，这项工作为创建具有长期稳定运行的软和可拉伸器件提供了一个有前途的路线。

审核编辑：刘清