上海交大邓涛、尚文团队Science上发表柔性可拉伸封装技术领域原创性成果

2023-02-03 15354

近日,上海交通大学材料科学与工程学院邓涛教授和尚文副研究员课题组联合美国北卡罗来纳州立大学Michael D. Dickey教授课题组和A123系统研发中心的王浚博士历经3年多的合作努力,在柔性封装材料与技术领域取得了重要突破,相关研究成果以“Liquid metal-based soft, hermetic, and wireless-communicable seals for stretchable systems”为题发表在Science上https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade7341 。该工作通过构建微米玻璃球阵列支撑的液态金属柔性密封复合材料,解决了传统封装材料无法同步兼顾可拉伸和高气密性的难题,并设计构筑了可无线通信的柔性封装系统,实现了可拉伸锂离子电池、柔性气液相变传热器件、多功能柔性器件的稳定可靠封装,展示了其在柔性能源、电子信息及生物医学等领域中的广阔应用前景。上海交通大学材料科学与工程学院申清臣、蒋墨迪、王锐桐、宋柯贤和美国北卡罗来纳州立大学化学与生物分子工程系Man Hou Vong为论文共同第一作者,上海交通大学材料科学与工程学院邓涛教授、尚文副研究员、美国北卡罗来纳州立大学化学与生物分子工程系Michael D. Dickey教授、A123系统研发中心王浚博士为论文共同通讯作者,上海交通大学为论文第一完成单位。

Science在线发表邓涛、尚文教授团队的研究成果

近年来,人类社会的智能化引领了柔性可穿戴器件的飞速发展。高性能密封材料可以防止外部破坏性气体/液体的渗入以及内部活性物质的流失,对于保障柔性器件的长期稳定运行至关重要。然而,目前已有的封装材料无法同时兼顾密封性能与可拉伸性能。例如,金属、陶瓷薄膜封装材料的气密性好,但不具备可拉伸性(图1A左);柔性弹性体封装材料的可拉伸性能优良,但气密性差(图1A中);而传统金属、陶瓷与弹性体复合的封装材料的可拉伸性能与密封性能往往相互制约,无法满足先进柔性器件的可靠封装需求。针对这一挑战,研究团队设计制备了基于液态金属的复合封装材料(图1A右),通过将常见液态金属镓铟共晶合金(EGaIn)与弹性体材料复合,并巧妙地利用微米玻璃球阵列作为支撑体防止该封装材料在变形过程中塌陷而引起密封性能的衰减,开发了一种高气密性、可拉伸、能集成无线通讯功能的封装材料,测得其氧透过系数为5.0×10-23 m2/(s Pa),接近于金属铝(Al),比传统硅胶弹性体材料低8个数量级以上(图1B)。 

图1、液态金属与其他材料的性能对比:(A)金属、弹性体、液态金属的可拉伸性能和气密性能对比示意图;(B)各类封装材料杨氏模量与氧透过系数对比图。红色数据点为本研究测得的液态金属密封材料的数据。

研究团队应用该液态金属密封复合材料对基于水系电解质的可拉伸锂离子电池进行封装和性能测试(图2A, B)。测试发现,在自然未拉伸状态下,封装的锂离子电池可逆容量为105.5 mAh/g,经500次充放电循环后,仍可保持72.5%的初始容量,而传统弹性体封装的电池在循环约160次后则完全失效;在20%拉伸应变状态下,液态金属复合材料封装的电池容量仍可维持在105.0 mAh/g,且在拉伸、弯曲、扭曲等变形状态下,其恒流充放电曲线和相应的容量都几乎保持不变(图2B)。因而,此类器件作为可拉伸电子器件中的储能组件潜力巨大(图2C)。 

图2、液态金属密封复合材料应用于可拉伸水系锂离子电池的封装:(A)液态金属封装的可拉伸水系锂离子电池结构示意图;(B)封装的锂离子电池在连续循环拉伸(20%)、弯曲(60°)和扭曲(90°)状态下的电压曲线(黑色曲线)和放电容量(红点数据);(C)基于液态金属封装的可拉伸锂离子电池作为储能组件在实际应用中进行供电:由该电池供电的发光二极管阵列工作图(左),由该电池供电的电子手表在电池无拉伸状态下 (中)和拉伸状态下(右)的工作图。

此外,研究团队还发现液态金属封装复合材料对乙醇等常用有机溶剂也具有优异的密封效果。团队设计制备了以乙醇为工质的可拉伸气液相变传热器件(图3A),研究结果表明,在拉伸和加热状态下,该封装后的器件的有效导热率可稳定维持在300 W/(m•K)以上,有望为柔性电子器件热管理提供全新可靠的解决方案。

针对液态金属材料因自身具有电磁屏蔽效应而会限制封装器件与外界的无线通信的功能这一问题,研究团队进一步提出了分隔式结构设计,通过在液态金属封装系统中引入电磁波信号传输窗口,在保持原有优异可拉伸性能和高气密性能的前提下,赋予了封装系统可无线通讯的功能(图3B),由此更进一步拓展了液态金属复合材料在多功能电子器件封装领域的应用。

图3、液态金属密封复合材料应用于可拉伸气液相变传热器件及无线通讯功能的实现:(A)液态金属封装的可拉伸气液相变传热器件整体及内部结构示意图;(B)可无线通讯的液态金属封装系统。在封装系统中引入电磁波信号传输窗口,实现了射频识别(RFID)电子标签与RFID阅读器之间的无线通信。

这项工作得到了国家自然科学基金委(51973109、51873105)、上海市教委创新项目(2019-01-07-00-02-E00069)、上海交通大学致远基金和上海交通大学留学奖学金的资助。

 

作者:申清臣,蒋墨迪

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