近日，上海交通大學材料科學與工程學院鄧濤教授和尚文副研究員課題組聯(lián)合美國北卡羅來納州立大學Michael D. Dickey教授課題組和A123系統(tǒng)研發(fā)中心的王浚博士歷經(jīng)3年多的合作努力，在柔性封裝材料與技術(shù)領(lǐng)域取得了重要突破，相關(guān)研究成果以“Liquid metal-based soft, hermetic, and wireless-communicable seals for stretchable systems”為題發(fā)表在Science上。

該工作通過構(gòu)建微米玻璃球陣列支撐的液態(tài)金屬柔性密封復(fù)合材料，解決了傳統(tǒng)封裝材料無法同步兼顧可拉伸和高氣密性的難題，并設(shè)計構(gòu)筑了可無線通信的柔性封裝系統(tǒng)，實現(xiàn)了可拉伸鋰離子電池、柔性氣液相變傳熱器件、多功能柔性器件的穩(wěn)定可靠封裝，展示了其在柔性能源、電子信息及生物醫(yī)學等領(lǐng)域中的廣闊應(yīng)用前景。上海交通大學材料科學與工程學院申清臣、蔣墨迪、王銳桐、宋柯賢和美國北卡羅來納州立大學化學與生物分子工程系Man Hou Vong為論文共同第一作者，上海交通大學材料科學與工程學院鄧濤教授、尚文副研究員、美國北卡羅來納州立大學化學與生物分子工程系Michael D. Dickey教授、A123系統(tǒng)研發(fā)中心王浚博士為論文共同通訊作者，上海交通大學為論文第一完成單位。

柔性可拉伸封裝技術(shù)領(lǐng)域研究成果

該工作通過構(gòu)建微米玻璃球陣列支撐的液態(tài)金屬柔性密封復(fù)合材料，解決了傳統(tǒng)封裝材料無法同步兼顧可拉伸和高氣密性的難題，并設(shè)計構(gòu)筑了可無線通信的柔性封裝系統(tǒng)，實現(xiàn)了可拉伸鋰離子電池、柔性氣液相變傳熱器件、多功能柔性器件的穩(wěn)定可靠封裝，展示了其在柔性能源、電子信息及生物醫(yī)學等領(lǐng)域中的廣闊應(yīng)用前景。上海交通大學材料科學與工程學院申清臣、蔣墨迪、王銳桐、宋柯賢和美國北卡羅來納州立大學化學與生物分子工程系Man Hou Vong為論文共同第一作者，上海交通大學材料科學與工程學院鄧濤教授、尚文副研究員、美國北卡羅來納州立大學化學與生物分子工程系Michael D. Dickey教授、A123系統(tǒng)研發(fā)中心王浚博士為論文共同通訊作者，上海交通大學為論文第一完成單位。

▲圖1、液態(tài)金屬與其他材料的性能對比：（A）金屬、彈性體、液態(tài)金屬的可拉伸性能和氣密性能對比示意圖；（B）各類封裝材料楊氏模量與氧透過系數(shù)對比圖。紅色數(shù)據(jù)點為本研究測得的液態(tài)金屬密封材料的數(shù)據(jù)。 研究團隊應(yīng)用該液態(tài)金屬密封復(fù)合材料對基于水系電解質(zhì)的可拉伸鋰離子電池進行封裝和性能測試（圖2A, B）。測試發(fā)現(xiàn)，在自然未拉伸狀態(tài)下，封裝的鋰離子電池可逆容量為105.5 mAh/g，經(jīng)500次充放電循環(huán)后，仍可保持72.5%的初始容量，而傳統(tǒng)彈性體封裝的電池在循環(huán)約160次后則完全失效；在20%拉伸應(yīng)變狀態(tài)下，液態(tài)金屬復(fù)合材料封裝的電池容量仍可維持在105.0 mAh/g，且在拉伸、彎曲、扭曲等變形狀態(tài)下，其恒流充放電曲線和相應(yīng)的容量都幾乎保持不變（圖2B）。因而，此類器件作為可拉伸電子器件中的儲能組件潛力巨大（圖2C）。

▲圖2、液態(tài)金屬密封復(fù)合材料應(yīng)用于可拉伸水系鋰離子電池的封裝：（A）液態(tài)金屬封裝的可拉伸水系鋰離子電池結(jié)構(gòu)示意圖；（B）封裝的鋰離子電池在連續(xù)循環(huán)拉伸（20%）、彎曲（60°）和扭曲（90°）狀態(tài)下的電壓曲線（黑色曲線）和放電容量（紅點數(shù)據(jù)）；（C）基于液態(tài)金屬封裝的可拉伸鋰離子電池作為儲能組件在實際應(yīng)用中進行供電：由該電池供電的發(fā)光二極管陣列工作圖（左），由該電池供電的電子手表在電池無拉伸狀態(tài)下 （中）和拉伸狀態(tài)下（右）的工作圖。 此外，研究團隊還發(fā)現(xiàn)液態(tài)金屬封裝復(fù)合材料對乙醇等常用有機溶劑也具有優(yōu)異的密封效果。團隊設(shè)計制備了以乙醇為工質(zhì)的可拉伸氣液相變傳熱器件（圖3A），研究結(jié)果表明，在拉伸和加熱狀態(tài)下，該封裝后的器件的有效導熱率可穩(wěn)定維持在300 W/(m?K)以上，有望為柔性電子器件熱管理提供全新可靠的解決方案。 針對液態(tài)金屬材料因自身具有電磁屏蔽效應(yīng)而會限制封裝器件與外界的無線通信的功能這一問題，研究團隊進一步提出了分隔式結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過在液態(tài)金屬封裝系統(tǒng)中引入電磁波信號傳輸窗口，在保持原有優(yōu)異可拉伸性能和高氣密性能的前提下，賦予了封裝系統(tǒng)可無線通訊的功能（圖3B），由此更進一步拓展了液態(tài)金屬復(fù)合材料在多功能電子器件封裝領(lǐng)域的應(yīng)用。

▲圖3、液態(tài)金屬密封復(fù)合材料應(yīng)用于可拉伸氣液相變傳熱器件及無線通訊功能的實現(xiàn)：（A）液態(tài)金屬封裝的可拉伸氣液相變傳熱器件整體及內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；（B）可無線通訊的液態(tài)金屬封裝系統(tǒng)。在封裝系統(tǒng)中引入電磁波信號傳輸窗口，實現(xiàn)了射頻識別（RFID）電子標簽與RFID閱讀器之間的無線通信。 這項工作得到了國家自然科學基金委（51973109、51873105）、上海市教委創(chuàng)新項目（2019-01-07-00-02-E00069）、上海交通大學致遠基金和上海交通大學留學獎學金的資助。

審核編輯 ：李倩