Science！可拉伸液态金属薄膜，保护柔性设备免受液体、气体渗透

基本上，善于阻止气体进入的东西往往是坚硬的，而提供弹性的东西又会让气体渗入。例如，软材料往往对气体具有很高的渗透性，但很难形成可拉伸的气密密封。那么是否存在一种物质，既能提供所需的弹性，又能防止气体进入？

上海交通大学邓涛教授、尚文副研究员团队、北卡罗来纳州立大学Michael D. Dickey、A123系统公司(一家锂离子电池公司)研发中心Wang Jun合作通过间隔物的整合，展示了使用液态金属作为可拉伸的气密密封，它同时具有金属和流体特性。这种软密封是用于可拉伸电池和涉及挥发性流体（包括水和有机流体）的可拉伸传热系统。在500次循环后，电池的容量保持率约为72.5%，而密封的传热系统在拉伸和加热时显示出约309瓦/米-开尔文的热导率。此外，随着信号传输窗口的加入，研究人员展示了通过这种密封的无线通信。这项工作为创建可拉伸但密封的软设备包装设计解决方案提供了一条途径。相关研究成果以题为“Liquid metal-based soft, hermetic, and wireless-communicable seals for stretchable systems”发表在最新一期《Science》期刊上。

【实验设计】

新技术利用了镓和铟的共晶合金(EGaIn)。共晶意味着合金的熔点低于其组成部分。在这种情况下，EGaIn在室温下是液态的。液态金属(LM)具有金属和流体特性，因此提供了实现可拉伸和气密密封的机会。研究人员制作了一层EGaIn薄膜，并将其包裹在弹性聚合物中。聚合物的内表面镶嵌着微型玻璃珠，可防止EGaIn液膜聚集。最终结果基本上是一个内衬液态金属的弹性袋或护套，不允许气体或液体进出。

【性能】

研究人员通过评估新材料允许液体内容物蒸发的程度，以及允许氧气从该材料制成的密封容器中泄漏的程度来测试新材料的有效性。他们发现，新材料的液体或氧气都没有可测量的损失。图1B、C绘制了各种可拉伸材料的气体渗透率与杨氏模量的关系。在图1B、C中，红色实心点表示EGaIn的测量值。氧气的渗透率被测量为接近于金属铝的渗透率。与金属Al的渗透率相比，水的渗透率相对较高，这主要是由于研究人员用来测量水的渗透率的仪器目前的限制。

图 1. LM的透气性

【基于LM的软密封和气密密封】

研究人员展示了基于LM的密封件的设计和制造，其中集成了用于可拉伸电池的垫片，特别是具有水基电解质的锂离子电池(LIB)。EGaIn通过真空填充的方式通过液态金属入口填充到内部电池和外部PDMS壳之间的腔室中。在真空填充过程中，垫片还可以防止外部PDMS腔室塌陷，从而确保LM的成功填充。带有基于LM的密封件的LIB的质量（图2H）在原始状态和20%应变下的24小时测量期间都没有变化。相比之下，没有基于LM的密封的控制LIB表现出快速的质量损失，表明水蒸气通过PDMS板向外渗透。控制LIB在20%应变下的表面积扩大增加了水蒸气的向外渗透，导致比没有拉伸的LIB更大的质量变化。

图2.用于锂离子电池的可拉伸气密密封件

【基于LM的密封件的可拉伸LIB的性能】

图3A显示了使用和不使用基于LM的密封的两种LIB的室温循环寿命。采用基于LM的密封件在140次循环后显示出约90%的可逆容量保持率，在500次循环后显示出约72.5%的可逆容量保持率。相比之下，没有基于LM的密封件的对照LIB显示出较大的容量衰减，在160个循环后完全失效。具有基于LM的密封件的LIB的阻抗远低于没有基于LM的密封件的LIB的阻抗（图3B）。由于缺乏基于LM的密封，控制LIB的阻抗在操作过程中由于电解质逐渐变干和电极劣化而不断增加（图3C），导致LIB的失败。结果表明，锂离子电池在连续循环过程中的性能下降主要是由于不可避免的副反应，例如从水性电解质和活性材料溶解中释放出H2和O2，而不是气体通过密封件的渗透。

图3.可拉伸锂离子电池在不变形的情况下的电气性能

在变形下，作者进一步表征了具有基于LM的密封件的可拉伸LIB的电气性能（图4）。LIB即使在20%的应变下也能正常运行。LIB在拉伸过程中保持相对较好的稳定性。在拉伸状态下，LIB的极耳和电极之间更紧密的接触可能会降低高频范围内的接触阻抗。无论锂离子电池的变形状态如何，相应的容量几乎保持不变。通过使用玻璃珠阵列作为间隔物，在LIB的变形操作过程中避免了LM封装内PDMS壳的坍塌，从而实现了基于LM的密封件的稳定气密密封。基于LM的密封件的LIB所证明的稳定性，意味着未来有希望可以将此类设备用作可拉伸电子设备中的功率组件。除了LIB，这种基于LM的气密密封还可用于其他可拉伸系统，以及用于无线通信。

图4.基于LM的密封件在变形下的可拉伸LIB的电气性能

【小结】

随着间隔物的整合，这项工作展示了一种可拉伸的LM基密封材料，该材料具有低渗透性，可以阻挡氧气、水和乙醇等气体和蒸汽的运输。此外，LM具有金属、热、化学和电的特性，这些特性可以进一步用于这种包裹电子设备的阻隔材料的额外功能。考虑到所展示的阻隔性能，这项工作为创造具有长期稳定运行的柔软和可拉伸的设备提供了一条有希望的途径。

封面来源：图虫创意