液态金属基可拉伸封装材料的出色性能

 

 

柔性可拉伸电子器件是指可通过自身变形而适应复杂外形并实现传感、供能、通讯等功能的电子元件，在健康管理、智慧医疗、人机交互等领域具有显著的潜力，备受科学界和工业界关注。通常，电学活性材料需要被封装起来以隔绝空气中水、氧等物质的影响，从而使得电子器件具有高稳定性和长寿命。对于柔性可拉伸电子器件，如何选择合适的材料进行封装仍是一个重要的挑战，目前仍缺乏理想的兼具优异可拉伸性能和密封性能的封装材料[1,2]。

具体而言，虽然硅胶弹性体等高分子材料具有高的自由体积和强的分子链运动能力，但这也使得气体能够轻易地穿过它们。因此，易于拉伸且杨氏模量较低的材料通常具有较高的气体渗透率[3,4]。相反，铝和钢等金属材料具有优异的隔水隔氧能力，在食品工业中被广泛应用于封装和储藏食品（例如常见的食品罐头和薯片袋的包装衬里），但其通常是不可拉伸的。为了对可拉伸电子器件进行封装，目前常见的方法是将高分子弹性体与金属材料或无机非金属材料等气体渗透性较低的材料相结合，但利用这种方法所得的材料通常可拉伸能力有限或者隔水隔氧性能不佳。

近日，上海交通大学邓涛-尚文团队与北卡罗来纳州立大学Michael D. Dickey课题组、A123系统公司研发中心王浚团队联合报道了液态金属基可拉伸封装材料。液态金属(liquid metal，LM)是指在室温或者较低的温度下呈液态的金属材料，同时具有金属与流体的特点，因此其兼具金属材料出色的隔水隔氧能力和远低于普通弹性体的杨氏模量，从而具有作为可拉伸密封材料的潜力(图1(a))。该团队设计制备了一种由微米玻璃球阵列支撑的液态金属柔性密封材料，首次展示了液态金属在可拉伸封装材料方面的出色性能。相关研究成果发表于Science[5]。

图1  液态金属的杨氏模量、隔水隔氧性能以及在密封锂离子电池方面的性能展示[5]. (a) 液态金属、高分子弹性体和金属的机械性能和密封性能的示意图；(b) 各种可拉伸材料的杨氏模量与水汽渗透系数对照图；(c) 各种可拉伸材料的杨氏模量与氧气渗透系数对照图；具有液态金属密封件的锂离子电池的设计示意图(d)、在24 h观测期间内的质量变化(e)、在0.6 mA/cm2电流密度和室温下的循环性能(f)

以熔点在室温附近的镓铟合金(EGaIn)为例，该工作首先评估了液态金属的气密性。实验结果表明，EGaIn的水汽渗透系数和氧气渗透系数分别为9.6×10−21和5.0×10−23 m2 s−1 Pa−1，其透水透氧能力比传统的弹性体封装材料聚二甲基硅氧烷(PDMS)分别低了约4和8个数量级。EGaIn的氧气渗透系数接近常见的金属封装材料铝，而其水汽渗透系数则略高于铝（偏差可能源于仪器检测能力）(图1(b), (c))。总的来说，EGaIn的气密性远优于高分子封装材料，可与传统金属材料相媲美。

该工作展示了液态金属材料在密封可拉伸锂离子电池(lithium-ion battery，LIB)、相变传热装置以及无线通讯器件方面的出色性能。研究结果表明，与只具有PDMS薄片封装的对照样品相比，具有液态金属密封的含有水基电解质的LIB不但能够保证在原始状态和20%应变状态下的质量不受损失(图1(d)，(e))，还有利于延长电池在室温下的循环寿命。利用EGaIn进行封装的LIB在经历140次循环后仍然保持约90%的可逆容量，即使经历500次循环其依然具有约72.5%的可逆容量。作者指出，LIB容量的下降主要是源于充放电循环过程中不可避免的副反应，并不是因为在测试过程中LIB中的气体与环境中的气体通过液态金属密封层产生了交换。相反，没有利用液态金属封装的样品则由于水透过PDMS向外渗透和氧向内渗透而在经历160次循环后完全失效(图1(f))。此外，液态金属密封件还可以应用于可拉伸相变传热装置中，从而解决了由于非冷凝气体向内渗透和工作流体的气体向外渗透而导致的传热装置在使用过程中导热系数降低的问题。以乙醇为工作介质设计了可拉伸气液相变传热器件，该装置被EGaIn封装后在应变和加热时也能很好工作。最后，作者还针对液态金属自身具有电磁屏蔽的特性，提出了利用分隔式结构设计可无线通信的柔性封装系统，从而进一步展示了液态金属在无线通信系统封装领域中的应用前景。

总之，该工作针对传统封装材料无法兼顾高可拉伸和高密封性的难题，创新性地提出了利用液态金属作为可拉伸电子器件封装材料的思路。一方面，这项工作为设计具有高稳定性、长寿命的新型柔性可穿戴器件提供了新的思路；另一方面，也启示了进一步结合液态金属的电学、热学、化学等特性设计新型柔性可穿戴电子器件和系统的可能。
        责任编辑：彭菁