三年攻堅，上海交大最新Science！

近日，上海交通大學材料科學與工程學院鄧濤教授和尚文副研究員課題組聯合美國北卡羅來納州立大學 Michael D. Dickey 教授課題組和 A123 系統研發中心的王浚博士曆經 3 年多的合作努力，在柔性封裝材料與技術領域取得了重要突破，相關研究成果以 "Liquid metal-based soft, hermetic, and wireless-communicable seals for stretchable systems" 為題發表在Science上。

該工作通過構建微米玻璃球陣列支撐的液态金屬柔性密封複合材料，解決了傳統封裝材料無法同步兼顧可拉伸和高氣密性的難題，并設計構築了可無線通信的柔性封裝系統，實現了可拉伸锂離子電池、柔性氣液相變傳熱器件、多功能柔性器件的穩定可靠封裝，展示了其在柔性能源、電子信息及生物醫學等領域中的廣闊應用前景。上海交通大學材料科學與工程學院申清臣、蔣墨迪、王銳桐、宋柯賢和美國北卡羅來納州立大學化學與生物分子工程系 Man Hou Vong 為論文共同第一作者，上海交通大學材料科學與工程學院鄧濤教授、尚文副研究員、美國北卡羅來納州立大學化學與生物分子工程系 Michael D. Dickey 教授、A123 系統研發中心王浚博士為論文共同通訊作者，上海交通大學為論文第一完成單位。

▲ Science 在線發表鄧濤、尚文教授團隊的研究成果

柔性可拉伸封裝技術領域研究成果

▲ 圖 1、液态金屬與其他材料的性能對比：（A）金屬、彈性體、液态金屬的可拉伸性能和氣密性能對比示意圖；（B）各類封裝材料楊氏模量與氧透過系數對比圖。紅色數據點為本研究測得的液态金屬密封材料的數據。

研究團隊應用該液态金屬密封複合材料對基于水系電解質的可拉伸锂離子電池進行封裝和性能測試（圖 2A, B）。測試發現，在自然未拉伸狀态下，封裝的锂離子電池可逆容量為 105.5 mAh/g，經 500 次充放電循環後，仍可保持 72.5% 的初始容量，而傳統彈性體封裝的電池在循環約 160 次後則完全失效；在 20% 拉伸應變狀态下，液态金屬複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、扭曲等變形狀态下，其恒流充放電曲線和相應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能組件潛力巨大（圖 2C）。

▲ 圖 2、液态金屬密封複合材料應用于可拉伸水系锂離子電池的封裝：（A）液态金屬封裝的可拉伸水系锂離子電池結構示意圖；（B）封裝的锂離子電池在連續循環拉伸（20%）、彎曲（60 °）和扭曲（90 °）狀态下的電壓曲線（黑色曲線）和放電容量（紅點數據）；（C）基于液态金屬封裝的可拉伸锂離子電池作為儲能組件在實際應用中進行供電：由該電池供電的發光二極管陣列工作圖（左），由該電池供電的電子手表在電池無拉伸狀态下（中）和拉伸狀态下（右）的工作圖。

此外，研究團隊還發現液态金屬封裝複合材料對乙醇等常用有機溶劑也具有優異的密封效果。團隊設計制備了以乙醇為工質的可拉伸氣液相變傳熱器件（圖 3A），研究結果表明，在拉伸和加熱狀态下，該封裝後的器件的有效導熱率可穩定維持在 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。

針對液态金屬材料因自身具有電磁屏蔽效應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構設計，通過在液态金屬封裝系統中引入電磁波信号傳輸窗口，在保持原有優異可拉伸性能和高氣密性能的前提下，賦予了封裝系統可無線通訊的功能（圖 3B），由此更進一步拓展了液态金屬複合材料在多功能電子器件封裝領域的應用。

▲ 圖 3、液态金屬密封複合材料應用于可拉伸氣液相變傳熱器件及無線通訊功能的實現：（A）液态金屬封裝的可拉伸氣液相變傳熱器件整體及内部結構示意圖；（B）可無線通訊的液态金屬封裝系統。在封裝系統中引入電磁波信号傳輸窗口，實現了射頻識别（RFID）電子标簽與 RFID 閱讀器之間的無線通信。

這項工作得到了國家自然科學基金委（51973109、51873105）、上海市教委創新項目（2019-01-07-00-02-E00069）、上海交通大學緻遠基金和上海交通大學留學獎學金的資助。

本文來源：上海交通大學等，版權屬于原作者，僅用于學術分享。