Hình a: Vật liệu áp điện PVDF được thay cho vách ngăn trong pin và nó đóng vai trò như một máy phát điện.
Hình b: pin được gắn vào đế giày để sạc
Từ trước tới nay sản xuất và lưu trữ điện năng là hai quá trình liên hệ mật thiết, nhưng luôn được tiến hành với các thiết bị riêng biệt và đặt ở các địa điểm khác nhau. Sản xuất điện là quá trình chuyển các dạng năng lượng khác (thế năng, quang năng, nhiệt năng ...) thành điện năng, còn lưu trữ là thực hiện biến đổi điện năng thành hóa năng. Tuy nhiên, nghiên cứu mới nhất của các nhà khoa học tới từ Viện công nghệ Georgia-GaTech (Hoa Kỳ) đã thay đổi thực tế đó khi họ chế tạo một thiết bị lai giữa máy phát và pin gọi là pin tự sạc. Hệ thống pin tự sạc này cho phép biến đổi trực tiếp cơ năng thành hóa năng và làm việc hiệu quả hơn nhiều so với phương thức sản xuất và lưu trữ điện trên các dụng cụ riêng biệt.
Vật liệu đóng vai trò trung tâm trong nghiên cứu ở GaTech là các màng PVDF có tính áp điện. Hiệu ứng áp điện là hiện tượng vật lý xảy ra khi tác dụng một lực thích hợp lên một số vật liệu (vật liệu có tính áp điện) thì ở hai bản mặt đối diện của khối chất xuất hiện một hiệu điện thế. Tùy theo từng loại vật liệu và lực tác dụng mà chênh lệch điện thế trên hai bản cực sẽ lớn hay nhỏ.
Trong các thí nghiệm, nhóm nghiên cứu sử dụng một số pin Li-ion có dạng đồng xu với âm cực là Lithium-cobalt oxide (LiCoO2) và dương cực là Titanium dioxide (TiO2). Ở đây, họ loại bỏ các vách ngăn polyethylene thông thường giữa hai điện cực và thay thế vào đó các tấm áp điện PVDF. Dưới tác dụng của ứng lực ngoài, tấm PVDF sẽ tích điện địa phương ở hai bề mặt. Do nằm ở giữa hai điện cực, nên điện trường tạo ra trên PVDF sẽ đẩy các ion Li+ di chuyển từ cực âm sang cực dương để duy trì sự cân bằng điện tích trên khối pin. Tại cực dương, ion Li+ sẽ kết hợp với TiO2 tạo thành Lithium-Titanium Oxide (LiTiO). Quá trình thay đổi điện tích như vậy sẽ làm cho pin được tự động sạc và không cần một nguồn điện ngoài. Chúng ta cũng có thể thấy rõ trong trường hợp này cơ năng (do ứng lực tạo ra) đã được chuyển thành các liên kết hóa học trên cực dương (hóa năng).
Nếu việc dịch chuyển các hạt mang điện diễn ra trong thời gian đủ lâu, cân bằng điện tích giữa các điện cực được tái lập, khi đó pin sẽ đầy. Lúc này người ta có thể dừng việc tác động lực để sử dụng năng lượng đã được lưu trên pin. Quá trình xả bắt đầu với việc ion Li+ di chuyển từ cực dương sang cực âm và electron chạy theo chiều ngược lại qua dây dẫn và tải tiêu thụ ngoài tới khi pin cạn.
Trong thử nghiệm thực tế, các nhà khoa học gắn các pin dạng đồng xu dưới đế giày. Sau đó họ đi bộ để tạo ra ứng lực tác dụng lên các tấm PVDF, giai đoạn tiếp theo pin bắt đầu được sạc. Kết quả đo cho thấy nếu đặt tần số lực tác dụng là 2,3 Hz thì hiệu điện thế trên pin sẽ tăng từ 327 mili Volt (mV) lên 395 mV trong vòng 4 phút. Mức nạp 65 mV/phút trong thí nghiệm cao hơn 10 mV/phút so với tốc độ mà các pin truyền thống có để đạt được khi chúng được sạc từ nguồn ngoài. Như vậy quá trình chuyển từ cơ năng sang điện năng trên loại pin mới mang lại hiệu quả to lớn nếu so sánh với các loại pin tạo ra trước đây.Mặc dù hiệu điện thế tối đa tạo ra trên máy phát lai pin chưa so sánh được của các sản phẩm hiện nay, nhưng ở mức 1,5 Volt những thiết bị này sẽ mở ra một loạt các ứng dụng rộng rãi trong đời sống và công nghiệp. Các nhà nghiên cứu cũng hi vọng họ sẽ thu được những thành tựu lớn hơn trong tương lai bằng cách mở rộng tác dụng của ứng lực ngoài cũng như tăng hiệu suất của vật liệu áp điện.
