液態(tài)金屬賦能柔性電子器件

研究背景

可拉伸電子器件的快速發(fā)展有望實現(xiàn)新型人機界面和軟設(shè)備。傳統(tǒng)的剛性電子器件被封裝在包裝材料中，以使反應(yīng)性物質(zhì)(如氧氣和水)遠離敏感材料，從而確保器件的長期穩(wěn)定性。

關(guān)鍵問題

然而，可拉伸電子器件的發(fā)展仍存在以下問題：

1、沒有等效的可拉伸包裝為可拉伸設(shè)備和系統(tǒng)提供密封

可拉伸材料，如彈性體，具有大的自由體積和高的鏈流動性，因此易于滲透氣體。因此，楊氏模量低的材料通常具有較高的透氣性。

2、現(xiàn)有手段無法實現(xiàn)拉伸性能和密封性能的耦合

將具有低楊氏模量的材料(如彈性體)與具有低透氣性的材料(如無機或金屬材料)相結(jié)合，要么顯示出有限的拉伸性能，要么顯示出有限的密封性能。

新思路

有鑒于此，上海交通大學(xué)鄧濤團隊等人展示了液態(tài)金屬作為可拉伸密封件的使用，液態(tài)金屬具有金屬性和流動性。這種軟密封既用于可拉伸電池，也用于涉及揮發(fā)性流體(包括水和有機流體)的可拉伸傳熱系統(tǒng)。電池在500次循環(huán)后的容量保持率為~ 72.5%，密封的傳熱系統(tǒng)在應(yīng)變和加熱時的導(dǎo)熱系數(shù)增加了約309 W/m kelvin。此外，隨著信號傳輸窗口的引入，作者演示了通過這種密封件的無線通信。這項工作提供了一種為軟器件創(chuàng)建可拉伸且密封的包裝設(shè)計方案的途徑。

技術(shù)方案：

1、測量了LMs的透氣性

作者采用真空填充法向腔內(nèi)填充EGaIn，制作了阻擋膜測量EGaIn的透氣性，表明了LMs優(yōu)異的密閉性。

2、演示了可拉伸電池集成間隔器的LM基密封的設(shè)計和制造

作者展示了集成到可拉伸LIB中的基于LM的密封的關(guān)鍵部件，測量了密封LIB的應(yīng)力-應(yīng)變曲線以及密封性能。

3、表征了LM基密封可拉伸LIB的電性能

作者分別在有無變形的條件下，研究了LM基密封的可拉伸LIBs的電性能，LIBs表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性和高庫倫效率。

4、探究了用于可拉伸相變傳熱裝置和無線通信的LM基密封

作者進一步描述了這種基于LM的密封在可拉伸相變傳熱研究中的應(yīng)用，在10%應(yīng)變下，其導(dǎo)熱系數(shù)提高了~309 W/(m K)。作者還利用改進的激光基密封制作了一種無線通信裝置。

技術(shù)優(yōu)勢：

1、利用液態(tài)金屬的金屬性和流動性實現(xiàn)了軟密封

作者研究了LMs的密封性能，并演示了由LMs與間隔器集成實現(xiàn)的可拉伸密封。這種軟密封既用于可拉伸電池，也用于涉及揮發(fā)性流體(包括水和有機流體)的可拉伸傳熱系統(tǒng)。

2、實現(xiàn)了軟密封在無線通信中的應(yīng)用

隨著信號傳輸窗口的引入，作者演示了通過這種密封件的無線通信。這項工作提供了一種為軟器件創(chuàng)建可拉伸但密封的包裝設(shè)計方案的途徑。

3、獲得了優(yōu)異的密封性及高穩(wěn)定性

軟密封的電池在500次循環(huán)后的容量保持率為~ 72.5%，密封的傳熱系統(tǒng)在應(yīng)變和加熱時的導(dǎo)熱系數(shù)增加了約309 W/m kelvin。

技術(shù)細節(jié)

LMs的透氣性

為了測量EGaIn的透氣性，采用真空填充法向腔內(nèi)填充EGaIn，制作了阻擋膜。測量了兩種有代表性的氣體的滲透性:水蒸氣和氧氣。經(jīng)過約94小時的測量，通過EGaIn樣品的水通量達到WVTR滲透分析儀的測量下限。計算水的PEGaIn為9.6×10?21 m2/(s Pa)，比PDMS的PEGaIn小4個數(shù)量級。EGaIn通過樣品的氧通量達到2.5×10?6 cc/day，這也達到了OTR滲透分析儀的測量極限。氧的PEGaIn比PDMS的PEGaIn小8個數(shù)量級以上。

圖 LMs的透氣性

LM基軟密封

作者演示了可拉伸電池(特別是具有水基電解質(zhì)的鋰離子電池)集成間隔器的LM基密封的設(shè)計和制造。作者展示了集成到可拉伸LIB中的基于LM的密封的關(guān)鍵部件。測量了密封LIB的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，并將其與未采用基于LC的密封的對照LIB進行了比較，兩條應(yīng)力應(yīng)變曲線幾乎重疊。

通過監(jiān)測填充水基電解質(zhì)的鋰離子鋰的質(zhì)量變化來表征鋰基密封的密封性能。在原始狀態(tài)和20%應(yīng)變下，基于LM密封的LIB的質(zhì)量在24小時的測量中都沒有變化。相比之下，沒有LM密封的對照LIB表現(xiàn)出快速的質(zhì)量損失，表明水汽通過PDMS片向外滲透。

圖 用于LIBs的可拉伸密封

LM基密封可拉伸LIB的性能

首先在不變形的情況下，研究了有無LM基密封的可拉伸LIBs的電性能。結(jié)果表明有LM基密封的LIBs在140次循環(huán)后的可逆容量保留率為~90%，在500次循環(huán)后的可逆容量保留率為~72.5%。相比之下，沒有LM基密封的對照LIB表現(xiàn)出較大的容量衰減，由于水蒸氣向外滲透和空氣通過PDMS薄片向內(nèi)滲透，在160次循環(huán)后完全失效。

采用LM基密封的鋰離子電池的庫侖效率為~98%。在變形條件下，進一步表征了具有LM基密封的可拉伸鋰離子電池的電性能。LIB在電流密度為0.6 mA/cm2，工作勢窗在0.2 - 1.7 V之間。

圖 可拉伸LIBs在無變形情況下的電性能

用于可拉伸相變傳熱裝置和無線通信的LM基密封

除LIBs外，這種基于LM的密封也可用于其他可拉伸系統(tǒng)。作者進一步描述了這種基于LM的密封在可拉伸相變傳熱研究中的應(yīng)用，即可拉伸電子器件的傳熱管理。在基于相變的傳熱裝置拉伸操作過程中，即使在加熱下，密封也能很好地工作，在10%應(yīng)變下，其導(dǎo)熱系數(shù)提高了~309 W/(m K)。由于LM是電導(dǎo)體，它可以阻止電磁通信進出密封。

在基于lm的密封設(shè)計中，在原始設(shè)計中加入了一個玻璃窗。在設(shè)計中，采用了玻璃窗口在傳輸電磁波的同時，在局部起到密封作用。圍繞著玻璃窗的LM提供了可拉伸性，并密封了設(shè)備的其余部分。為了表征新設(shè)計的激光基密封的無線通信性能、拉伸性能和透氣性，利用改進的激光基密封制作了一種無線通信裝置。

圖 塑性密封可拉伸LIBs在變形作用下的電性能

展望

總之，通過間隔層的集成，本工作展示了一種可拉伸的LM基密封，該密封具有低滲透性，可以阻止氧氣、水和乙醇等氣體和蒸汽的傳輸。此外，LMs具有金屬、熱、化學(xué)和電學(xué)特性，可以進一步利用這些特性在這種封裝電子器件的屏障材料中實現(xiàn)額外的功能?？紤]到所證明的阻擋特性，這項工作為創(chuàng)建具有長期穩(wěn)定運行的軟和可拉伸器件提供了一個有前途的路線。

審核編輯：劉清