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成果简介

软质材料往往对气体具有高度渗透性，因此难以制造可拉伸的气密密封，这也是可拉伸电子产品和技术一个经常被忽视的方面。

在此，上海交通大学邓涛教授和尚文副研究员，美国北卡罗莱纳州立大学Michael D. Dickey教授，美国电池制造商A123系统有限责任公司王军等人通过垫片集成，利用液态金属具有金属和流体特性，展示了其作为可拉伸气密密封件。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。

研究结果表明，经过500次循环后，电池的容量保持率为~72.5%，密封传热系统在应变和加热时显示出传热系数增加了约309 W·m^-1·K^-1。此外，通过加入信号传输窗口，作者演示了通过这种密封进行无线通信。因此，这项工作为软设备创建可拉伸且密封的封装设计提供了一条重要途径。

相关论文以“Liquid metal-based soft, hermetic, and wireless-communicable seals for stretchable systems”为题发表在Science。

研究背景

事实证明，可拉伸电子设备的快速发展有望使新型的人机界面和软设备成为可能。传统的刚性电子设备被包裹在包装材料中，以使氧和水等反应性物质远离敏感材料，从而确保器件的长期稳定性。

然而，同等条件下，没有等效的可拉伸包装为可拉伸设备和系统提供气密密封。可拉伸材料，如弹性体，具有大的自由体积和高的迁移率，因此容易渗透气体。因此，具有低杨氏模量的材料通常具有较高的气体渗透性。

目前解决这些挑战的方法包括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，但这些方法显示出有限的拉伸能力或有限的密封性能。

内容详解

液态金属（LMs）具有金属和流体特性，因此为实现可拉伸和气密密封提供了机会。铝和钢等金属被称为出色的渗透屏障，因此在食品工业中可用于罐头食品和包装衬底。

然而，金属通常是不可扩展的，但液态金属—特别是镓及其合金是一个例外，最近引起了研究界越来越多的关注，它们的金属导电性和流体变形性使它们适用于可拉伸和软电子领域，金属导热性和流体变形性也提供了将它们用作热界面材料，其有助于电子设备散热。

同时，LMs还应具有与金属相似的气密密封性能，同时显示出远低于气密性能有限的普通弹性体的杨氏模量（图1A），这种低杨氏模量和低透气性的组合使LMs成为产生可拉伸和气密密封的理想选择。

本文使用共晶镓铟合金（EGaIn），其作为一种熔点接近或低于室温的液态金属，具有高流动性、高导电性、导热性、可拉伸性等优良性能。

各种可拉伸材料的气体渗透率与杨氏模量的关系如图1B，C所示，氧的渗透性与金属（Al）的渗透性接近。与金属（Al）相比，水的渗透率相对较高，这主要受限于水渗透率测量的仪器。

图1. LMs的渗透性

同时，本文展示了基于LMs的密封件的设计和制造，其中集成了可拉伸电池的垫片，特别是具有水系电解质的锂离子电池（LIBs）。对于可拉伸电池，大多数研究都集中在可拉伸集流体，电极和电解质上。可伸缩包装在可拉伸电池的长期稳定性和安全运行中起着关键作用，但通常被忽视。

LMs密封LIBs的制备有三个步骤：电极的制备，内部电池的制备和外密封的制备。在电极的制备中，将基于商业锰酸锂的正极材料的预混浆料通过叶片涂覆工艺涂覆到不锈钢网的集流体上，以碳包覆的磷酸钛酸锂（cc-LTP）为基础的负极材料的预混泥浆，用类似的方法涂覆在不锈钢网格上。然后将制造的电极切割，由亲水性多孔聚四氟乙烯（PTFE）包裹，以避免内部短路。

为了集成LM基密封件，与LM接触的不锈钢片部分预涂有一层薄薄的聚对二甲苯（~10μm厚），以防止LM之间的短路。将组装好的电极连接到PDMS衬底上，然后用另一张PDMS片密封以形成内部电池。这个原始的内部电池进一步与四块玻璃板粘合，以在拉伸过程中在设备的每一端创建抓取位置。同时，还与铜管集成在一起，铜管用作将电解质注入内电池的入口。

在制备外部密封时，两个带有玻璃珠阵列图案的外部PDMS片，用作LM封装的顶部和底部，连接到内部电池以形成外部PDMS室。使用PDMS等可拉伸材料作为LM的封装，封装壳在局部压力下可能会变形，这将导致PDMS壳的顶部和底部接触，并可能导致气密密封失效。

图2. LIBs的可拉伸和密封

为了防止PDMS外壳在操作过程中接触，设计中使用玻璃珠作为垫片，以避免PDMS外壳接触的密封失效。玻璃珠作为PDMS外壳之间的垫片，相邻玻璃珠之间的PDMS确保了集成LM基密封件的拉伸性。

其中一个外部PDMS板中有一个液态金属入口。EGaIn通过真空填充进入内电池和外部PDMS外壳之间的腔室中。在真空灌装过程中，垫片还可以防止外部PDMS腔室塌陷，从而确保LM的成功填充，带有LM基密封件的LIBs的照片如图2C所示。

首先在无变形的情况下表征了带和不带LM基密封件的可拉伸LIB的电化学性能，如图3A所示。具有LM基密封的电池在140次循环后表现出~90%的容量保持率，在500次循环后仍表现出~72.5%的容量保持率。

结果表明：对照组连续循环过程中性能退化主要是由于不可避免的副反应，如水系电解液和活性物质溶解的H₂和O₂的演化，而不是气体通过密封渗透。

图3. 带LM基密封件的可拉伸LIBs的性能

在变形作用下，进一步表征了LM基密封的可拉伸LIBs的电化学性能，不同应变下LIB在释放状态和拉伸状态下对应的恒电流充放电曲线如图4A所示。结果表明，释放状态下锂离子电池具有105.5 mAh/g的高可逆容量，在5%、10%和20%应变下，容量分别维持在104.8、105.8和105.0 mAh/g。

图4B中的EIS还显示了LIB在拉伸过程中相对较好的稳定性。此外，不同的拉伸状态可能导致内部电池中电化学环境的随机变化，例如两个电极之间的距离和残留气泡位置的变化（来自H₂和O₂）。

图4. 变形下具有LM基密封件的可拉伸LIBs的电化学性能

Qingchen Shen†, Modi Jiang†, Ruitong Wang†, Kexian Song†, Man Hou Vong†, Woojin Jung,

Febby Krisnadi, Ruyu Kan, Feiyu Zheng, Benwei Fu, Peng Tao, Chengyi Song, Guoming Weng,

Bo Peng, Jun Wang*, Wen Shang*, Michael D. Dickey*, Tao Deng*, Liquid metal-based soft, hermetic, and wireless-communicable seals for stretchable systems, 2023, Science, https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade7341

原创文章，作者：Gloria，如若转载，请注明来源华算科技，注明出处：https://www.v-suan.com/index.php/2023/10/13/460b8e5111/

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