研究背景

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

關鍵問題

然而，可拉伸電子器件的發展仍存在以下問題：

1、沒有等效的可拉伸包裝為可拉伸設備和系統提供密封

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、現有手段無法實現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，上海交通大學鄧濤團隊等人展示了液態金屬作為可拉伸密封件的使用，液態金屬具有金屬性和流動性。這種軟密封既用于可拉伸電池，也用于涉及揮發性流體(包括水和有機流體)的可拉伸傳熱系統。電池在500次循環后的容量保持率為~ 72.5%，密封的傳熱系統在應變和加熱時的導熱系數增加了約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建可拉伸且密封的包裝設計方案的途徑。

技術方案：

1、測量了LMs的透氣性

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

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的密封的關鍵部件，測量了密封LIB的應力-應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表現出優異的穩定性和高庫倫效率。

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用，在10%應變下，其導熱系數提高了~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。

技術優勢：

1、利用液態金屬的金屬性和流動性實現了軟密封

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，也用于涉及揮發性流體(包括水和有機流體)的可拉伸傳熱系統。

2、實現了軟密封在無線通信中的應用

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建可拉伸但密封的包裝設計方案的途徑。

3、獲得了優異的密封性及高穩定性

軟密封的電池在500次循環后的容量保持率為~ 72.5%，密封的傳熱系統在應變和加熱時的導熱系數增加了約309 W/m kelvin。

技術細節

LMs的透氣性

為了測量EGaIn的透氣性，采用真空填充法向腔內填充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的鋰離子電池)集成間隔器的LM基密封的設計和制造。作者展示了集成到可拉伸LIB中的基于LM的密封的關鍵部件。測量了密封LIB的應力-應變曲線，并將其與未采用基于LC的密封的對照LIB進行了比較，兩條應力應變曲線幾乎重疊。

通過監測填充水基電解質的鋰離子鋰的質量變化來表征鋰基密封的密封性能。在原始狀態和20%應變下，基于LM密封的LIB的質量在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表現出快速的質量損失，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。結果表明有LM基密封的LIBs在140次循環后的可逆容量保留率為~90%，在500次循環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薄片向內滲透，在160次循環后完全失效。

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。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%應變下，其導熱系數提高了~309 W/(m K)。由于LM是電導體，它可以阻止電磁通信進出密封。

在基于lm的密封設計中，在原始設計中加入了一個玻璃窗。在設計中，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，并密封了設備的其余部分。為了表征新設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、化學和電學特性，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額外的功能。考慮到所證明的阻擋特性，這項工作為創建具有長期穩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