可拉伸电子设备是一类具有机械韧性的电子系统，能够在弯曲、折叠、压缩和拉伸的情况下保持性能稳定。随着可穿戴设备和植入式设备的快速发展，这些设备正朝着微型化、多功能化和高度适应性的方向演进。然而，实现完全自主的可拉伸电子系统，需要相应的能量存储设备同样具有高机械适应性，以承受各种形变而不影响性能。近日，新加坡南洋理工大学Pooi See Lee教授团队利用共晶镓铟合金（EGaIn）开发了一种全固态可拉伸电极。作者通过一步沉积工艺，将液态金属颗粒嵌入到多壁碳纳米管（MWCNT）和碳黑（CB）的导电弹性基质中，实现了电极拉伸性和导电性的显著提升。同时，这种设计减少了传统电极中活性材料与集流体之间的分层风险。结果显示，这种电极在拉伸到900%应变时仍能保持导电性能，组装的全固态储能设备具备150%的拉伸能力，0.42 mAh/cm³的容量和90%的库仑效率。作者还利用拉曼光谱、X射线光电子能谱（XPS）以及密度泛函理论（DFT）计算，深入分析了电极与电解质界面的电化学行为，揭示了镓与三氟甲磺酰亚胺（TFSI）阴离子在循环过程中的复杂配位机制。这种独特的材料设计大幅减少了设备结构的复杂性，降低了层间剥离的风险，提高了机械耐久性和循环稳定性。相关研究成果以“Stretchable Energy Storage with Eutectic Gallium Indium Alloy”为题发表在Advanced Energy Materials上。图 1. 液态金属电极的制备和表征 图 1A: 制备液态金属电极的工艺示意图，展示了通过沉积液态金属颗粒在导电基质中的单步工艺。图 1B: 液态金属基电极的表面场发射扫描电子显微镜（FESEM）图像，显示其表面形貌。图 1C: 液态金属基电极的截面 FESEM 图像，展示颗粒沉积和分布情况。图 1D-E: 液态金属电极的 XPS 光谱，分别展示了 C1s 和 O1s 的化学组成特征。图 1F: 液态金属电极的拉曼光谱，显示了碳基材料和液态金属颗粒的特征峰。图 1G: 电极在单轴拉伸过程中的原位电导率测试结果。图 1H: 描述液态金属电极在变形时的导电机制示意图。图 2. 液态金属基电极的电化学表征 图 2A: 不同组成的可拉伸电极的循环伏安（CV）曲线，显示了电极的电化学性能差异。图 2B: 优化后的液态金属基电极在不同应变下的 CV 曲线，评估拉伸对性能的影响。图 2C: 液态金属电极在不同电流密度下的恒电流充放电（GCD）曲线。图 2D: 电极在循环测试中的容量与循环次数关系曲线，展示其长周期稳定性。图 2E: 不同扫描速率下的 CV 曲线，用于分析电极反应动力学。图 2F: 不同循环次数（如第 1 次、第 20 次等）的 CV 曲线，揭示电化学性能变化趋势。图 3. 液态金属电极在不同截止电压下的 XPS 分析 图 3A-C: Ga 2p3/2光谱分别展示了原始电极和不同氧化还原状态下（+0.4 V 和 +1.0 V）的化学变化。图 3D-F: C 1s 光谱显示了在离子液体环境中 BMIM 阳离子与液态金属颗粒表面的相互作用。
图 4. 液态金属电极的原位拉曼光谱表征 图 4A: 三电极原位拉曼电化学测试装置的 3D 示意图。图 4B-C: 在不同电压下液态金属基电极与离子液体相互作用的拉曼光谱（225–500 cm⁻¹ 和 500–725 cm⁻¹ 区间）。图 4D: 基于 DFT 计算的 Raman 光谱，模拟了 [Ga(TFSI)2]⁺ 和 [Ga(TFSI)3] 结构的振动模式。图 4E: 在 560 cm⁻¹ 和 640 cm⁻¹ 处的 [Ga(TFSI)3] 的特征振动模式。图 4F: 不同电压下 BMIM 阳离子在电极表面的拉曼光谱变化。图 4G-H: DFT 优化的 BMIM 阳离子在 Ga₂O₃ 表面上的稳定构型，以及其与液态金属的相互作用。
图 5. 液态金属基可拉伸储能设备的电化学性能 图 5A: 对称可拉伸储能设备的结构示意图，显示离子凝胶夹在两层液态金属电极之间。图 5B: 储能设备为温湿度监控器供电的实物照片。图 5C: 在 BMIM TFSI 中，液态金属基电极作为阴极和阳极的 CV 曲线。图 5D: 两电极配置下阴极、阳极和整体设备的 GCD 曲线。图 5E: 不同扫描速率下设备的 CV 曲线，分析其动态电化学性能。图 5F: 在不同电流密度下的容量和库仑效率曲线。图 5G: 在 1400 次循环中设备的容量变化曲线，表现出卓越的循环稳定性。图 5H: 在不同应变条件下设备的 CV 曲线，评估其机械和电化学性能的结合表现。
论文信息：A. Gupta, N. Al-Shamery, J. Lv, G. Thangavel, J. Park, D. Mandler, P. S. Lee, Stretchable Energy Storage with Eutectic Gallium Indium Alloy. Adv. Energy Mater. 2024, 2403760.
https://doi.org/10.1002/aenm.202403760
