一、研究背景：
近些年来，人类社会的智能化推动了柔性可穿戴元件的急剧发展。高性能密封材料可以避免外部破坏性二氧化碳/液体的溶入以及内部活性物质的流失，对于保障柔性元件的常年稳定运行至关重要。但是，目前已有的封装材料难以同时兼具密封性能与可拉伸性能。诸如，金属、陶瓷薄膜封装材料的气密性好拉伸包装技术，但不具备可拉伸性；柔性弹性体封装材料的可拉伸性能优良，但气密性差；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常常互相掣肘，难以满足先进柔性元件的可靠封装需求。
二、文章简介：
近期，北京交通学院材料科学与工程大学邓涛院士和尚文副研究员课题组联合国外北卡罗来纳州立学院D.院士课题组和A123系统研制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。该工作通过建立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难以同步兼具可拉伸和高气密性的困局，并设计打造了可无线通讯的柔性封装系统，实现了可拉伸锂离子电瓶、柔性气固相变传质元件、多功能柔性元件的稳定可靠封装，展示了其在柔性能源、电子信息及生物医学等领域中的宽广应用前景。广州交通学院材料科学与工程大学申清臣、蒋墨迪、王锐桐、宋柯贤和日本北卡罗来纳州立学院物理与生物分子工程系ManHouVong为论文共同第一作者，北京交通学院材料科学与工程大学邓涛院士、尚文副研究员、美国北卡罗来纳州立学院物理与生物分子工程系D.院士、A123系统研制中心王浚博士为论文共同通信作者，北京交通学院为论文第一完成单位。
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）各种封装材料杨氏挠度与氧透过系数对比图。白色数据点为本研究测得的液态金属密封材料的数据。
三、研究内容：
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晶界合金（EGaIn）与弹性体材料复合，并巧妙地借助微米玻璃球阵列作为支撑体避免该封装材料在变型过程中坍塌而导致密封性能的衰减，开发了一种高气密性、可拉伸、能集成无线通信功能的封装材料，测得其氧透过系数为5.0×10-23m2/(sPa)，接近于金属铝（Al），比传统硅胶弹性体材料低8个数目级以上（图1B）。
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瓶进行封装和性能测试（图2A,B）。测试发觉，在自然未拉伸状态下，封装的锂离子电瓶可逆容量为105.5mAh/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瓶在循环约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瓶容量仍可维持在105.0mAh/g，且在拉伸、弯曲、扭曲等变型状态下，其恒流充放电曲线和相应的容量都几乎保持不变（图2B）。因此，这种元件作为可拉伸电子元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瓶的封装：（A）液态金属封装的可拉伸水系锂离子电瓶结构示意图；（B）封装的锂离子电瓶在连续循环拉伸（20%）、弯曲（60°）和扭曲（90°）状态下的电流曲线（红色曲线）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瓶作为储能组件在实际应用中进行供电：由该电板供电的发光晶闸管阵列工画图（左），由该电板供电的电子腕表在电瓶无拉伸状态下（中）和拉伸状态下（右）的工画图。
据悉拉伸包装技术，研究团队还发觉液态金属封装复合材料对乙酸等常用有机溶剂也具有优异的密封疗效。团队设计制备了以乙酸为工质的可拉伸气固相变传质元件（图3A），研究结果表明，在拉伸和加热状态下，该封装后的元件的有效导热率可稳定维持在300W/(m•K)以上，有望为柔性电子元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元件与外界的无线通讯的功能这一问题，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讯号传输窗口，在保持原有优异可拉伸性能和高气密性能的前提下，赋于了封装系统可无线通信的功能（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元件封装领域的应用。
图3.液态金属密封复合材料应用于可拉伸气固相变传质元件及无线通信功能的实现：（A）液态金属封装的可拉伸气固相变传质元件整体及内部结构示意图；（B）可无线通信的液态金属封装系统。在封装系统中引入电磁波讯号传输窗口，实现了射频辨识（RFID）电子标签与RFID阅读器之间的无线通讯。
四、致谢：
这项工作得到了国家自然科学基金委（、）、上海市科委创新项目（2019-01-07-00-02-）、上海交通学院致远基金和北京交通学院留学奖学金的捐助。
