學者研制出兼具拉伸性與氣密性的液態金屬新材料

近日，上海交通大學材料科學與工程學院教授鄧濤團隊、副研究員尚文團隊等通過構建微米玻璃球陣列支撐的液態金屬柔性密封復合材料，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。這項研究于2月3日發表于《科學》。

研究概念圖 圖源自研究課題組

近年來，人類社會的智能化引領了柔性可穿戴器件的飛速發展。高性能密封材料可以防止外部破壞性氣體/液體的滲入以及內部活性物質的流失，對于保障柔性器件的長期穩定運行至關重要。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。例如，金屬、陶瓷薄膜封裝材料的氣密性好，但不具備可拉伸性；柔性彈性體封裝材料的可拉伸性能優良，但氣密性差；傳統金屬、陶瓷與彈性體復合的封裝材料的可拉伸性能與密封性能往往相互制約，無法滿足先進柔性器件的可靠封裝需求。

針對這一挑戰，研究團隊設計制備了基于液態金屬的復合封裝材料，通過將常見液態金屬鎵銦共晶合金（EGaIn）與彈性體材料復合，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，測得其氧透過系數為5.0×10^-23 m²/(s Pa)，接近于金屬鋁（Al），比傳統硅膠彈性體材料低8個數量級以上。

論文第一作者、上海交通大學博士申清臣介紹，研究團隊應用該液態金屬密封復合材料對基于水系電解質的可拉伸鋰離子電池進行封裝和性能測試發現，在自然未拉伸狀態下，封裝的鋰離子電池可逆容量為105.5 mAh/g，經500次充放電循環后，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次后則完全失效；在20%拉伸應變狀態下，液態金屬復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、扭曲等變形狀態下，其恒流充放電曲線和相應的容量都幾乎保持不變。這表明，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，研究團隊還發現液態金屬封裝復合材料對乙醇等常用有機溶劑也具有優異的密封效果，這有望為柔性電子器件熱管理提供全新可靠的解決方案。

上海交通大學材料科學與工程學院博士申清臣、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教授鄧濤、副研究員尚文、美國北卡羅來納州立大學化學與生物分子工程系教授Michael D. Dickey、A123系統研發中心博士王浚為論文共同通訊作者。

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DOI: 10.1126/science.ade7341