呼气驱动集成式口罩阀摩擦纳米发电机（EM-TENG）：高输出电流与抗湿性设计及其在可穿戴设备中的应用

本文介绍了一种创新的呼气驱动口罩阀集成摩擦纳米发电机（EM-TENG），该装置通过电荷分离和直接电子流机制，在极小体积（3.87 cm3）内实现高达170 mA的输出电流和4.2 W的峰值功率，且具备优异的抗湿性和长期稳定性（1,000,000次循环无衰减）。其Savonius叶片结构优化了低风速下的机械响应，适用于实际呼吸场景，可驱动多类商用电子设备，为工业防护场景下的可穿戴自供能系统提供了新的解决方案。

　　

引言

摩擦纳米发电机（TENG）是一种将机械摩擦能转化为电能的能量采集装置，具有材料易得、制备简单和轻量化等优势，能够高效利用呼吸、肌肉运动等日常生物力学能量源。呼吸驱动型TENG主要分为身体伸缩型和气流型两类，其中气流型TENG因易于与商用口罩结合且能通过连续旋转或颤动结构在单次呼吸中产生多峰输出而被广泛研究。然而，现有技术存在三方面局限：TENG通常外附于口罩表面，体积较大，且易受呼气中水分的影响，导致性能不稳定和集成可靠性低。

此外，传统TENG因高内阻特性，输出电流常处于微安级，峰值功率仅为微瓦级，严重限制了其实际应用。虽已有研究通过外接电路、接地策略等方式试图提升电流输出，但这些方法往往引入额外损耗、增大设备体积并限制移动性。因此，开发一种能够稳定产生高输出电流的新型TENG机制，并实现其与口罩阀的一体化集成，具有重要的研究意义和应用价值。

EM-TENG的概念与结构设计

本研究提出一种呼气驱动口罩阀集成TENG（EM-TENG），其核心创新在于将整个发电机结构完全内置于口罩阀内部，在不影响阀片原有功能的前提下，通过气流通道和转子-定子系统实现高效能量转换。设备整体尺寸为3.9×3.9×3.5 cm3，重量仅增加9 g，具有良好的穿戴舒适性。

EM-TENG的转子部分采用Savonius叶片形设计（丙烯酸基材），其凹面可直接捕获气流产生强阻力，凸面则平滑导流，通过压力差维持稳定旋转。叶片背面设有两段相互连接的自立电极（铝材）。定子部分包括基底（丙烯酸）、四段互联的底部电极（铝）、覆盖其上的摩擦电层（聚四氟乙烯，PTFE）以及宽度为1 mm的针电极（铝）。当自立电极与针电极直接接触时，通过电荷分离与直接电子流机制可产生高幅值电流输出。

该结构设计有效避免了呼出湿气直接接触摩擦电层，气流沿叶片导向出口，结合PTFE材料本身的疏水性（接触角107.2°），使EM-TENG具备优异的抗湿性能。

性能与稳定性验证

在气流速度为4 m·s?1（相当于人类呼气水平）的条件下，EM-TENG可产生70.7 V的输出电压和170 mA的电流，峰值频率达60 Hz。其最大平均峰值功率为4.2 W，最佳负载阻抗为1 MΩ。与常规TENG相比，EM-TENG凭借电极直接接触形成的放电型输出，能够在低阻区产生电压、高阻区产生电流，从而在全阻值范围内输出功率。

通过水雾喷洒实验模拟高湿环境，设备在经历1,000,000次旋转后，峰值电压仍保持在50.2 V（初始值为50 V），未出现明显衰减，显示出卓越的环境稳定性和耐久性。

机械机制与变量优化

EM-TENG的机械性能关键取决于叶片结构参数。通过系统测试，研究团队优化了三个主要变量：

叶片高度方面，4 mm高度表现最佳，能平衡扫风面积与转动惯量，输出频率2.23 Hz，RMS电压达86.67 V。高度过高（如8 mm）会因重量增加阻碍转动。

叶片长度优化中，75%占比（1.3 cm）展现出最高输出电压（78 V）和频率（60 Hz），长叶片易导致气流滞留，反而降低效能。

叶片曲率实验显示，高曲率（1.82 cm?1）更利于产生显著压力差与驱动力，其输出电压达66 V，频率为73.33 Hz，证实了Savonius形设计的优越性。

电学机制与关键变量分析

EM-TENG通过转子在倾斜或平面运动中的不同接触模式（线-线或面-面接触）引起电荷分离，并在自立电极与针电极接触时触发直接电子流动，形成瞬时电流峰值。在电学设计上：

摩擦电材料中，PTFE凭借最优的电子亲和性和表面电荷密度，输出峰值电压达72 V，频率76.67 Hz，显著优于聚酰亚胺（PI）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）和聚丙烯（PP）。

分段数影响输出峰值数量，8分段时电压高达106 V，频率86.67 Hz，分段增多可提升转动稳定性和输出密度。

针电极数量实验表明，多电极会导致电荷分散，单针电极可输出86 V电压和4.42 V RMS值，综合性能最优。

该装置在单次呼吸条件下可输出0.41 μC电荷，并能向10 μF电容存储20 nJ能量。

应用演示与场景验证

EM-TENG在3–7 m·s?1的气流速度范围内均能有效工作，最高输出电流达780 mA（7 m·s?1）。其应用能力通过以下实验验证：

可直接驱动20个LED阵列和5 W商用灯具，通过全波整流电路实现连续照明；

能够为1–47 μF电容充电，并在22 μF电容充电至1.5 V后成功驱动商用温湿度计传感器，运行时间达3分钟；

在真实呼吸条件下，该装置能够通过多次呼吸循环积累能量，逐步提升电容储能，最终达到传感器启动阈值。

这些实验表明，EM-TENG可用于建筑工地等需佩戴口罩的工业场景，作为自供能安全灯、呼吸监测指示灯及商用传感器的可持续电源。

结论

本研究通过机械与电学参数的全面优化，成功开发出一种高性能、抗湿、小体积的口罩阀集成TENG。其基于直接电子流机制和一体化结构，在4 m·s?1低风速下实现170 mA电流和4.2 W功率输出。设备在叶片高度4 mm、长度75%、曲率1.82 cm?1，搭配PTFE摩擦层、8分段电极和单针电极时达到最优性能。EM-TENG不仅能点亮多类灯具，还可通过电容储能为商用传感器供电，展现出在可穿戴自供能系统中的广泛应用潜力。

实验方法

转子与定子基材采用激光切割机加工丙烯酸板制成，铝带作为电极材料，PTFE及其他聚合物薄膜作为摩擦电层。电气输出使用差分探头和混合域示波器测量，气流由电吹风提供，速度经风速计校准。湿度稳定性通过水雾喷洒实验验证，统计数据分析基于三次重复测量的平均值与标准差。

所有呼吸实验均经参与者知情同意，符合伦理规范。