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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)合美國北卡羅來納州立大學(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(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，人類社會的智能化引領(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，對于保障柔性器件的長期穩(wěn)定運行至關(guān)重要。然而，目前已有的封裝材料無法同時兼顧密封性能與可拉伸性能。

針對這一挑戰(zhàn)，研究團隊設(shè)計制備了基于液態(tài)金屬的復(fù)合封裝材料，通過將常見液態(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程中塌陷而引起密封性能的衰減，開發(fā)了一種高氣密性、可拉伸、能集成無線通訊功能的封裝材料，測得其氧透過系數(shù)接近于金屬鋁，比傳統(tǒng)硅膠彈性體材料低8個數(shù)量級以上。

研究團隊?wèi)?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。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105.5mAh/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)金屬復(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能組件潛力巨大。

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，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，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。

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

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