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近日，上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院鄧濤教授和尚文副研究員課題組聯(lián)合美國(guó)北卡羅來(lái)納州立大學(xué)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)研究成果發(fā)表在《Science》上。

該工作通過(guò)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(wú)法同步兼顧可拉伸和高氣密性的難題，并設(shè)計(jì)構(gòu)筑了可無(wú)線通信的柔性封裝系統(tǒng)，實(shí)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(xué)等領(lǐng)域中的廣闊應(yīng)用前景。

研究成果刊發(fā)。上海交通大學(xué)供圖

近年來(lái)，人類社會(huì)的智能化引領(lǐng)了柔性可穿戴器件的飛速發(fā)展。高性能密封材料可以防止外部破壞性氣體/液體的滲入以及內(nèi)部活性物質(zhì)的流失，對(duì)于保障柔性器件的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。然而，目前已有的封裝材料無(wú)法同時(shí)兼顧密封性能與可拉伸性能。

針對(duì)這一挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)制備了基于液態(tài)金屬的復(fù)合封裝材料，通過(guò)將常見(jiàn)液態(tài)金屬鎵銦共晶合金(EGaIn)與彈性體材料復(fù)合，并巧妙地利用微米玻璃球陣列作為支撐體防止該封裝材料在變形過(guò)程中塌陷而引起密封性能的衰減，開(kāi)發(fā)了一種高氣密性、可拉伸、能集成無(wú)線通訊功能的封裝材料，測(cè)得其氧透過(guò)系數(shù)接近于金屬鋁，比傳統(tǒng)硅膠彈性體材料低8個(gè)數(shù)量級(jí)以上。

研究團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用該液態(tài)金屬密封復(fù)合材料對(duì)基于水系電解質(zhì)的可拉伸鋰離子電池進(jìn)行封裝和性能測(cè)試。測(cè)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105.5mAh/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?gòu)?fù)合材料封裝的電池容量仍可維持在105.0mAh/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。因而，此類器件作為可拉伸電子器件中的儲(chǔ)能組件潛力巨大。

此外，研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)液態(tài)金屬封裝復(fù)合材料對(duì)乙醇等常用有機(jī)溶劑也具有優(yōu)異的密封效果。團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)制備了以乙醇為工質(zhì)的可拉伸氣液相變傳熱器件，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(dǎo)熱率可穩(wěn)定維持在300W/(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(duì)液態(tài)金屬材料因自身具有電磁屏蔽效應(yīng)而會(huì)限制封裝器件與外界的無(wú)線通信的功能這一問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步提出了分隔式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)在液態(tài)金屬封裝系統(tǒng)中引入電磁波信號(hào)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(wú)線通訊的功能，由此更進(jìn)一步拓展了液態(tài)金屬?gòu)?fù)合材料在多功能電子器件封裝領(lǐng)域的應(yīng)用。

這項(xiàng)工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、上海市教委創(chuàng)新項(xiàng)目等資助。

關(guān)鍵詞： 復(fù)合材料 鋰離子電池 電子器件 無(wú)線通信 可拉伸性