【材制 | 视角】柔性的力量—液态金属的应用

初原载于 爱学习的 青春材制

2023-04-21

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神奇的镓铟合金

　　“您是否还在为嫌手机碍事没有带在身边而临时想要联系别人而烦恼？那就快来试试我们这款皮下植入的手机吧！”不知道有没有人幻想过上面这个场景，看似只会在科幻电影里才会出现的一幕，或许正向我们走来。

　　不久前，延世大学Cheolmin Park课题组发现镓铟合金（EGaIn）可以在PHEA-co-PEGDA-80（PcP-80）水凝胶的表面上铺展，从而实现直接微图案化。也就是说，以Egaln与PcP-80做成的电路上，在不超过该材料最大拉伸率（1500%）的情况下，对电路进行拉伸基本不会影响电路运行。当PcP-80水凝胶基底被拉伸时，镓铟合金层会随之变形，600%的应变范围之内，电极的电阻几乎没有变化。即使形变达到1500%后，电阻也只增加了~2.3倍。1400个拉伸周期内，工作300小时后，电极电阻的变化均可以忽略不计。

　　如此优异的拉伸性能，使可贴合皮肤的手机的实现变得可能，这时候就有人会问了，那供电呢？你先别急，由液态金属为主要材料的柔性电池也有研究了。

　　柔性电池是一种可变形的低温液态金属-导电聚合物水性二次电池。由于刚性金属基阳极存在种种局限性，人们致力于开发柔性电极材料，以提升其在苛刻环境下的性能和稳定性。韩国科学技术学院的 joong kee lee 使用Ga68ln22Sn10作为液态金属阳极和导电聚合物阴极开发了一种在低温下运行的形状可变的水性二次电池。在合金阳极中，Ga是活性成分，而Sn和ln提高了耐酸性并将共晶点降到-19摄氏度，因此可以使用强酸性水性电解质（pH 0.9），同时提高 PANI 阴极的活性和稳定性。因此，电池表现出优异的电化学性能和机械稳定性。GaInSn-PANI 电池通过 Ga3+剥离/电镀和Cl -的混合机制运行插入/提取并提供超过223.9mAh g-1的高可逆容量，4300 mW g-1和 98.7 mWh g-1的功率和能量密度，且在500 次循环后保留率为 80.3%。由于采用液态阳极，无需包装的电池，只需几毫牛顿的小力即可使电池变形而不会造成任何容量损失。此外，在大约 -5 °C 时，电池在 0.2 A g-1时提供 67.8 mAh g-1的容量，具有100%的弹性。因此，这种电池有望成为低温和苛刻环境下的可变形能源设备。

　　那么在镓铟合金（EgaIn）可以在PHEA-co-PEGDA-80（PcP-80）水凝胶的表面上铺展，从而实现直接微图案化，以及由液态金属为主要材料的柔性电池的发展。未来是很有可能实现皮下植入的手机的。科技是在不断发展的，这次所介绍的这个两方面如此专业性的进步可以说是未来可期。因为二者恰好能够融合实现这一里程碑的项目。倘若随着科技的不断进步，我们真的实现了这一技术。那么在未来我们的生活会更加便利，很多问题都会得以解决。而且，就以如今的科技发展的境界来讲，在不久的将来应该是很容易实现的。面对未来的科技发展，已经不再是凭空想象而是已经有了事件性的进步。就如我们这次所介绍的两项很重要的科技进步一样。科技不再是空谈，当前的实践也已经证明了这一点。让我们继续关注科技专业性以及里程碑性质的进步，让我们共同展望未来，我们能想象出来的科技感的时代正在一步一步快速的向我们走来。在我们展望未来的同时也希望柔性电池和镓铟合金的发展能够更进一步，早日普及。成为科技进步的一大成就。

参考文献：

[1] Autonomous Surface Reconciliation of a Liquid-Metal Conductor Micropatterned on a Deformable Hydrogel

Jung-Eun Park, Han Sol Kang, Min Koo, Cheolmin Park

Adv. Mater., 2020, 32, 2002178, DOI: 10.1002/adma.202002178

[2] AM内封面：液态金属，可拉伸的电极  X-MOL 20201018

[3] A Shape-Variable, Low-Temperature Liquid Metal–Conductive Polymer Aqueous Secondary Battery Hao Fu, Guicheng Liu, Lingyun Xiong, Manxiang Wang, Jeongwoo Lee, Ren Ren, Woochul Yang, Joong Kee Lee  13 September 2021

[4] 《AFM》一种可变形的低温液态金属-导电聚合物水性二次电池

[5]部分图片源于Adv. Mater及网络.

撰 稿 人 :   科技协会科创部 陶雨桐 陈岳阳 杨光耀 陈逸凡

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