能量采集技术可将环境中的机械、光照和热能等转化为电能，尤其适合为可穿戴无线传感器（如运动监测与康复训练设备等）提供可持续的补充电源，有望减少设备对电池的依赖。基于纤维织物的摩擦纳米发电机因其柔性优异、穿戴舒适，且能高效收集人体低频运动能量，被视为自驱动可穿戴电子的重要解决方案。然而，如何在不牺牲舒适性的前提下提升输出性能与能量管理效率，仍是实现高功耗器件应用的关键挑战。
鉴于此，香港理工大学黄琪瑶助理教授课题组在期刊《Small》上，发表了最新研究成果“A Permeable Triboelectric Fiber Mat with 35 V/cm2 Voltage Output for Wearable Wireless Sensing Electronics”。团队开发出一种兼具高输出与透气性的基于纤维网的摩擦纳米发电机（pTENG），其电压输出超过35 V/cm²。该器件的高性能归因于液态金属纳米颗粒在静电纺丝复合纤维膜中的均匀分布，从而显著提高了纤维膜的介电常数。在专门设计的能量管理模块辅助下，该pTENG驱动的自供能系统实现了比传统整流器快10倍的充电速度。作为概念验证，研究团队构建了一种集成pTENG、能量管理模块、温度传感器与无线发射器的智能服装，实现了自驱动无线温度传感系统，能够将温度数据实时传输至中继终端模块。该集成方案不仅降低了对外部电源的依赖，还实现了实时无线健康监测，展示了pTENG在个性化医疗与人体区域网络中的应用潜力。
图1：利用液态金属（LM）嵌入PVDF-TrFE复合纤维膜（LMPT）构建的可透型摩擦纳米发电机（pTENG）的制备与性能表征。
LMPT由液态金属（LM）掺杂PVDF-TrFE静电纺丝复合纤维构成，结合镍布电极构建形成透气型摩擦纳米发电机（pTENG），可用于为无线传感设备提供稳定供能（图1a）。SEM与TEM图像显示，LM颗粒在纤维网络中均匀分布，确保了LMPT的结构完整性与稳定性（图1b-g）。此外，得益于纤维膜的多孔结构，LMPT展现出优异的透气性（最高达24 mm/s）和透湿性（最高达780 g/m²/day），性能可与常规PET织物媲美，兼具良好的穿戴舒适性与功能性。
图2：基于LMPT的pTENG实现电输出性能增强。
掺杂不同浓度LM颗粒的LMPT构成的pTENG在输出性能上表现出明显差异（图2a-d）。这种性能变化主要受LMPT介电常数的提升（图2e）以及摩擦层间有效电容的变化（图2f）共同影响。在LM含量为1 wt%时，pTENG实现了最佳电输出性能。此外，LMPT的厚度（图2g）以及摩擦层之间的接触力（图2h）也对电输出有显著影响。总体表现为：较薄的LMPT层与更大的接触力有助于提升pTENG的电输出性能。
图3：pTENG的高效能源管理。
当LMPT面积增至25 cm²时，所构建的pTENG展现出显著增强的电输出性能，最大输出电压高达825 V，电荷量达到120 nC，电流峰值为15 µA（图3a-c）。值得注意的是，该pTENG在60 MΩ外部负载条件下可实现2.8 mW的峰值功率输出及229 µW的平均功率（图3d）。在经过15,000次连续工作循环后，电压输出依然保持稳定，表现出优异的运行耐久性（图3e）。此外，在专门设计的能量管理模块辅助下，该pTENG驱动的自供能系统实现了比传统整流电路快10倍的充电速率，显著提升了能量利用效率（图3f-g）。
图4：基于pTENG的自供电系统在无线温度监测中的应用。
作为概念验证，团队开发了一款自供能智能服装系统，将基于LMPT的pTENG与能量管理模块、温度传感器及无线传输单元集成，实现了无需外部电源的实时温度监测与数据传输（图4a）。值得强调的是，当跑步者穿戴该智能服装时，集成的pTENG能够在运动过程中收集人体动能，并将获取的温度数据实时无线传输至20–30 m范围内的接收终端（图4b）。此外，通过跑步机实验对不同奔跑速度下的发电性能与传感数据进行了定量分析（图4c），进一步验证了该系统在个性化医疗监测和人体区域网络中的应用潜力。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202504556
人物简介：
黄琪瑶，香港理工大学服装及纺织学院助理教授。主要从事纤维基导体材料及器件的相关研究，目前研究方向集中于织物基柔性传感器、柔性纤维储能器件、离子凝胶导体的开发及其离电器件应用等。黄博士在Nature Communications, Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials, Advanced Fiber Materials, ACS Nano等期刊发表论文60余篇, 其中第一/通讯作者22篇；申请专利5项；曾获2023年学院杰出青年研究学者奖等科研奖项。承担国家自然科学基金、香港研资局、深圳市科创委等科研项目5项。
