引言：基于纺织品的摩擦发电机（TENGs ）不仅可以提供优异的柔软性、透气性和透湿性，带来穿着舒适性，还能够通过身体运动发电，为可穿戴传感器供电。然而，基于纺织品的 TENGs 在满足无线传感电子设备（通常功耗为 μW~mW）的高功耗需求方面遇到了障碍^[1]。这是由于与薄膜 TENGs 相比，基于纺织品的 TENGs 的输出电压相对较低（通常 < 30 V cm⁻²），以及 TENGs 固有的脉冲交流电压在为需要 2.5-4 V 稳定直流电压的电子设备供电方面存在局限性。尽管已经开发了整流和升降压转换等能量管理技术，将 TENGs 的脉冲交流输出转换为稳定的直流输出，以可靠地为传感器供电^[2]，但在提高 TENG 纺织品的输出和最大限度地有效利用所产生的能量方面仍然存在挑战。

近日，来自香港理工大学智能可穿戴系統研究院的郑子剑教授团队等人在《Small》期刊发布了题为“A Permeable Triboelectric Fiber Mat with 35 V cm−2 Voltage Output for Wearable Wireless Sensing Electronics”（一种用于可穿戴无线传感电子设备的具有 35 V cm−2 电压输出的透气摩擦电纤维垫）”的最新研究成果。该团队通过开发一种透气的摩擦电纳米发电机（pTENG），成功实现了超过35 V cm⁻²的高电压输出，并将其应用于自供电无线温度监测系统。这一成果为可穿戴电子设备的能源供应问题提供了一种创新解决方案，并展示出其在个性化医疗保健和智能服装领域的巨大应用潜力。

团队通过采用静电纺丝技术，成功制备由液态金属（LM）嵌入的PVDF-TrFE（聚偏二氟乙烯-三氟乙烯）复合纤维毡（LMPT）构成的摩擦电纳米发电机（pTENG）。液态金属纳米颗粒在电纺复合纤维毡（LMPT）中形成了高效的复合介电纤维网络。这种网络显著提高了摩擦电极的介电常数，从而增强了电荷存储和输出能力。实验表明，与未嵌入液态金属的对照组相比，LMPT基pTENG的电压和电荷密度分别提高了83%和46%，展现出卓越的电输出性能。此外，该pTENG具备良好的透气性（高达 24 mm s⁻¹）和透湿性（高达 780 g m⁻² day⁻¹），见图1h这些特性使其能够满足可穿戴设备对舒适性的要求，即使在长时间佩戴的情况下也不会导致皮肤不适。

图2.通过LMPT实现的pTENG的增强电输出 a. pTENG的发电机制 b. 不同LM含量的pTENG的开路电压 c. 不同LM含量的pTENG的转移电荷 d. 不同LM含量的pTENG的短路电流 e. 不同LM含量的LMPT的介电常数 f. 不同LM含量的pTENG的电容 g. 不同LMPT厚度和不同接触力下的开路电压和转移电荷 h. 不同LMPT厚度和不同接触力下的短路电流

为了最大化利用pTENG产生的电能，研究团队设计了一种专门的能量管理模块（EMM）。该模块通过整流桥、电容、晶闸管、电感等元件，将pTENG产生的脉冲交流电转换为稳定的直流电，从而为电子设备提供可靠的电源。与仅使用整流器的传统方法相比，这种EMM设计将充电速度提高了10倍。实验中，使用EMM的pTENG能够在300秒内将一个0.68 mF的电容充电至3.1 V，而仅使用整流器的pTENG在同一时间内只能充电至0.29 V

作为概念验证，研究团队构建了一种集成基于LMPT的pTENG、能量管理模块、温度传感器和无线发射器的智能服装。这种自供能系统通过持续收集人体运动能量，为无线温度监测提供动力，并能够实时将温度数据传输到云端。实验表明，该系统能够在跑步速度为12 km/h时，在89秒内完成能量的重新补充，并支持无线温度数据的传输。这种集成系统不仅减少了对外部电源的依赖，还实现了实时无线健康监测，展示了在个性化医疗保健和福祉监测中的巨大应用潜力。

综上所述，该研究成功开发了一种高性能的透气摩擦纳米发电机（pTENG），其电压输出超过35 V cm⁻²，能够为无线传感系统供电，同时保持透气性，不影响皮肤排汗。pTENG的高输出性能归因于液态金属纳米颗粒在电纺复合纤维毡（LMPT）中形成的高效复合介电纤维网络，显著提高了摩擦电极的介电常数。结合专门设计的能量管理模块（EMM），pTENG的充电速度比传统方法快10倍。此外，通过将pTENG集成到智能服装中，结合温度传感器和无线发射器，构建了自供能的无线温度监测系统，展示了其在可穿戴无线传感电子设备中的巨大应用潜力，为个性化医疗保健和福祉监测提供了新的解决方案。

文献来源：https://doi.org/10.1002/smll.202504556
引用来源：[1]Y. Qin, X. Fu, Y. Lin,Z. Wang,」. Cao,c. zhang, Nano Res. 2023, 16,11878.
[2] W. Harmon, D. Bamgboje, H. Guo,T. Hu, Z.L. Wang, Nano Energy 2020, 71, 104642.