柔性可拉伸封裝技術(shù)領(lǐng)域研究成果

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(jì)構(gòu)筑了可無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。上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)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(xué)化學(xué)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(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院鄧濤教授、尚文副研究員、美國北卡羅來納州立大學(xué)化學(xué)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(xué)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(jì)構(gòu)筑了可無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。上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)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(xué)化學(xué)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(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院鄧濤教授、尚文副研究員、美國北卡羅來納州立大學(xué)化學(xué)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(xué)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(duì)比：（A）金屬、彈性體、液態(tài)金屬的可拉伸性能和氣密性能對(duì)比示意圖；（B）各類封裝材料楊氏模量與氧透過系數(shù)對(duì)比圖。紅色數(shù)據(jù)點(diǎn)為本研究測(cè)得的液態(tài)金屬密封材料的數(shù)據(jù)。 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（圖2A, B）。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105.5 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(chǔ)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(diǎn)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(chǔ)能組件在實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)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?zé)o拉伸狀態(tài)下 （中）和拉伸狀態(tài)下（右）的工作圖。 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（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(dǎo)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(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線通信的功能這一問題，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)可無線通訊的功能（圖3B），由此更進(jìn)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(shí)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(hào)傳輸窗口，實(shí)現(xiàn)了射頻識(shí)別（RFID）電子標(biāo)簽與RFID閱讀器之間的無線通信。 這項(xiàng)工作得到了國家自然科學(xué)基金委（51973109、51873105）、上海市教委創(chuàng)新項(xiàng)目（2019-01-07-00-02-E00069）、上海交通大學(xué)致遠(yuǎn)基金和上海交通大學(xué)留學(xué)獎(jiǎng)學(xué)金的資助。

審核編輯 ：李倩