Hatur nuhun parantos nganjang ka nature.com. Versi browser anu anjeun anggo gaduh dukungan CSS anu terbatas. Pikeun pangalaman anu pangsaéna, kami nyarankeun nganggo versi browser pangénggalna (atanapi mareuman modeu kompatibilitas dina Internet Explorer). Salaku tambahan, pikeun mastikeun dukungan anu terus-terusan, situs ieu moal ngalebetkeun gaya atanapi JavaScript.
Kusabab sumber natrium anu seueur, batré ion natrium (NIB) mangrupikeun solusi alternatif anu ngajangjikeun pikeun panyimpenan énergi éléktrokimia. Ayeuna, halangan utama dina pamekaran téknologi NIB nyaéta kurangna bahan éléktroda anu tiasa nyimpen/ngaleupaskeun ion natrium sacara réversibel pikeun waktos anu lami. Ku alatan éta, tujuan panilitian ieu nyaéta pikeun nalungtik sacara téoritis pangaruh panambahan gliserol kana campuran polivinil alkohol (PVA) sareng natrium alginat (NaAlg) salaku bahan éléktroda NIB. Panilitian ieu museur kana déskriptor hubungan struktur-aktivitas éléktronik, termal, sareng kuantitatif (QSAR) tina éléktrolit polimér dumasar kana campuran PVA, natrium alginat, sareng gliserol. Sipat-sipat ieu ditalungtik nganggo metode semi-empiris sareng téori fungsional kapadetan (DFT). Kusabab analisis struktural ngungkabkeun rinci interaksi antara PVA/alginat sareng gliserol, énergi celah pita (Eg) ditalungtik. Hasilna nunjukkeun yén panambahan gliserol nyababkeun panurunan nilai Eg janten 0,2814 eV. Beungeut poténsial éléktrostatik molekuler (MESP) nunjukkeun distribusi daérah anu beunghar éléktron sareng miskin éléktron sareng muatan molekuler dina sakumna sistem éléktrolit. Parameter termal anu ditalungtik kalebet entalpi (H), entropi (ΔS), kapasitas panas (Cp), énergi bébas Gibbs (G) sareng panas formasi. Salian ti éta, sababaraha déskriptor hubungan struktur-aktivitas kuantitatif (QSAR) sapertos momen dipol total (TDM), énergi total (E), poténsi ionisasi (IP), Log P sareng polarisabilitas ditalungtik dina panilitian ieu. Hasilna nunjukkeun yén H, ΔS, Cp, G sareng TDM ningkat kalayan ningkatna suhu sareng eusi gliserol. Samentawis éta, panas formasi, IP sareng E turun, anu ningkatkeun réaktivitas sareng polarisabilitas. Salaku tambahan, ku nambihan gliserol, tegangan sél ningkat janten 2,488 V. Itungan DFT sareng PM6 dumasar kana éléktrolit berbasis gliserol PVA/Na Alg anu hemat biaya nunjukkeun yén aranjeunna tiasa ngagentos sabagian batré litium-ion kusabab multifungsionalitasna, tapi perbaikan sareng panilitian salajengna diperyogikeun.
Sanaos batré litium-ion (LIB) seueur dianggo, aplikasi na nyanghareupan seueur watesan kusabab umur siklusna anu pondok, biaya anu luhur, sareng masalah kaamanan. Batré natrium-ion (SIB) tiasa janten alternatif anu layak pikeun LIB kusabab kasadiaan anu lega, biaya anu murah, sareng henteu toksik tina unsur natrium. Batré natrium-ion (SIB) janten sistem panyimpen énergi anu beuki penting pikeun alat éléktrokimia1. Batré natrium-ion ngandelkeun pisan kana éléktrolit pikeun ngagampangkeun transportasi ion sareng ngahasilkeun arus listrik2,3. Éléktrolit cair utamina diwangun ku uyah logam sareng pangleyur organik. Aplikasi praktis meryogikeun pertimbangan anu ati-ati ngeunaan kaamanan éléktrolit cair, khususna nalika batré kakeunaan setrés termal atanapi listrik4.
Batré natrium-ion (SIB) diperkirakeun bakal ngaganti batré litium-ion dina waktos anu caket kusabab cadangan laut anu seueur, henteu toksik, sareng biaya bahan anu murah. Sintésis nanomaterial parantos ngagancangkeun pamekaran panyimpen data, alat éléktronik, sareng optik. Seueur literatur parantos nunjukkeun aplikasi rupa-rupa nanostruktur (contona, oksida logam, graphene, nanotube, sareng fullerene) dina batré natrium-ion. Panalungtikan parantos fokus kana pamekaran bahan anoda, kalebet polimér, pikeun batré natrium-ion kusabab versatility sareng ramah lingkungan. Minat panalungtikan dina widang batré polimér anu tiasa dicas deui pasti bakal ningkat. Bahan éléktroda polimér anyar kalayan struktur sareng sipat anu unik kamungkinan bakal muka jalan pikeun téknologi panyimpen énergi anu ramah lingkungan. Sanaos rupa-rupa bahan éléktroda polimér parantos dijelajah pikeun dianggo dina batré natrium-ion, widang ieu masih dina tahap awal pamekaran. Pikeun batré natrium-ion, langkung seueur bahan polimér kalayan konfigurasi struktural anu béda-béda kedah dijelajah. Dumasar kana pangaweruh urang ayeuna ngeunaan mékanisme panyimpenan ion natrium dina bahan éléktroda polimér, tiasa dihipotesiskeun yén gugus karbonil, radikal bébas, sareng heteroatom dina sistem konjugasi tiasa janten situs aktif pikeun interaksi sareng ion natrium. Ku alatan éta, penting pisan pikeun ngembangkeun polimér énggal kalayan kapadetan anu luhur tina situs aktif ieu. Éléktrolit polimér gél (GPE) mangrupikeun téknologi alternatif anu ningkatkeun reliabilitas batré, konduktivitas ion, henteu aya bocor, kalenturan anu luhur, sareng kinerja anu saé12.
Matriks polimér ngawengku bahan-bahan sapertos PVA sareng poliétilén oksida (PEO)13. Polimér permeabel gél (GPE) ngimobilisasi éléktrolit cair dina matriks polimér, anu ngirangan résiko bocor dibandingkeun sareng separator komérsial14. PVA mangrupikeun polimér biodegradable sintétis. Éta ngagaduhan permitivitas anu luhur, murah sareng henteu toksik. Bahan ieu dikenal ku sipat ngabentuk pilem, stabilitas kimia sareng adhesi. Éta ogé ngagaduhan gugus fungsional (OH) sareng kapadetan poténsi cross-linking anu luhur15,16,17. Campuran polimér, panambahan plasticizer, panambahan komposit sareng téknik polimérisasi in situ parantos dianggo pikeun ningkatkeun konduktivitas éléktrolit polimér berbasis PVA pikeun ngirangan kristalinitas matriks sareng ningkatkeun kalenturan ranté18,19,20.
Ngablending mangrupikeun metode anu penting pikeun ngembangkeun bahan polimér pikeun aplikasi industri. Campuran polimér sering dianggo pikeun: (1) ningkatkeun sipat pamrosésan polimér alami dina aplikasi industri; (2) ningkatkeun sipat kimia, fisik, sareng mékanis bahan anu tiasa diuraikeun sacara biologis; sareng (3) adaptasi kana paménta anu gancang robih pikeun bahan énggal dina industri kemasan dahareun. Teu sapertos kopolimerisasi, ngablending polimér mangrupikeun prosés anu murah anu nganggo prosés fisik anu saderhana tibatan prosés kimia anu rumit pikeun ngahontal sipat anu dipikahoyong21. Pikeun ngabentuk homopolimer, polimér anu béda-béda tiasa berinteraksi ngalangkungan gaya dipol-dipol, beungkeut hidrogén, atanapi kompleks transfer muatan22,23. Campuran anu didamel tina polimér alami sareng sintétis tiasa ngagabungkeun biokompatibilitas anu saé sareng sipat mékanis anu saé, nyiptakeun bahan anu unggul kalayan biaya produksi anu handap24,25. Ku alatan éta, aya minat anu ageung dina nyiptakeun bahan polimér biorelevan ku cara ngablending polimér sintétis sareng alami. PVA tiasa digabungkeun sareng natrium alginat (NaAlg), selulosa, kitosan sareng aci26.
Natrium alginat nyaéta polimér alami sareng polisakarida anionik anu diekstrak tina ganggang coklat laut. Natrium alginat diwangun ku asam D-mannuronat (M) anu dihubungkeun ku β-(1-4) sareng asam L-guluronat (G) anu dihubungkeun ku α-(1-4) anu diatur kana bentuk homopolimer (poli-M sareng poli-G) sareng blok heteropolimer (MG atanapi GM)27. Eusi sareng babandingan relatif blok M sareng G gaduh pangaruh anu signifikan kana sipat kimia sareng fisik alginat28,29. Natrium alginat seueur dianggo sareng ditalungtik kusabab biodegradabilitasna, biokompatibilitas, biaya murah, sipat ngabentuk pilem anu saé, sareng henteu toksik. Nanging, sajumlah ageung gugus hidroksil (OH) sareng karboksilat (COO) bébas dina ranté alginat ngajantenkeun alginat hidrofilik pisan. Nanging, alginat gaduh sipat mékanis anu goréng kusabab rapuh sareng kaku. Ku alatan éta, alginat tiasa digabungkeun sareng bahan sintétis sanés pikeun ningkatkeun sensitivitas cai sareng sipat mékanis30,31.
Sateuacan ngarancang bahan éléktroda anyar, itungan DFT sering dianggo pikeun meunteun kalayakan fabrikasi bahan anyar. Salian ti éta, para ilmuwan nganggo modél molekuler pikeun mastikeun sareng ngaduga hasil ékspérimén, ngahémat waktos, ngirangan runtah kimia, sareng ngaduga paripolah interaksi32. Modél molekuler parantos janten cabang élmu anu kuat sareng penting dina seueur widang, kalebet élmu bahan, nanomaterial, kimia komputasi, sareng panemuan ubar33,34. Ngagunakeun program modél, para ilmuwan tiasa langsung kéngingkeun data molekuler, kalebet énergi (panas formasi, poténsi ionisasi, énergi aktivasi, jsb.) sareng géométri (sudut beungkeut, panjang beungkeut, sareng sudut torsi)35. Salaku tambahan, sipat éléktronik (muatan, énergi celah pita HOMO sareng LUMO, afinitas éléktron), sipat spéktral (mode sareng inténsitas geter karakteristik sapertos spéktrum FTIR), sareng sipat bulk (volume, difusi, viskositas, modulus, jsb.)36 tiasa diitung.
LiNiPO4 nunjukkeun kaunggulan poténsial dina bersaing sareng bahan éléktroda positif batré litium-ion kusabab kapadetan énergina anu luhur (tegangan kerja sakitar 5,1 V). Pikeun ngamangpaatkeun kaunggulan LiNiPO4 sacara pinuh di daérah tegangan tinggi, tegangan kerja kedah diturunkeun sabab éléktrolit tegangan tinggi anu ayeuna dikembangkeun ngan ukur tiasa tetep relatif stabil dina tegangan di handap 4,8 V. Zhang et al. nalungtik doping sadaya logam transisi 3d, 4d, sareng 5d di situs Ni LiNiPO4, milih pola doping kalayan kinerja éléktrokimia anu saé, sareng nyaluyukeun tegangan kerja LiNiPO4 bari ngajaga stabilitas relatif kinerja éléktrokimia na. Tegangan kerja panghandapna anu diala nyaéta 4,21, 3,76, sareng 3,5037 pikeun LiNiPO4 anu didoping Ti, Nb, sareng Ta.
Ku kituna, tujuan tina ieu panilitian nyaéta pikeun nalungtik sacara téoritis pangaruh gliserol salaku plasticizer kana sipat éléktronik, déskriptor QSAR sareng sipat termal sistem PVA/NaAlg nganggo itungan mékanis kuantum pikeun aplikasi na dina batré ion-ion anu tiasa dicas ulang. Interaksi molekuler antara modél PVA/NaAlg sareng gliserol dianalisis nganggo téori atom kuantum molekul Bader (QTAIM).
Modél molekul anu ngagambarkeun interaksi PVA sareng NaAlg teras sareng gliserol dioptimalkeun nganggo DFT. Modél ieu diitung nganggo parangkat lunak Gaussian 0938 di Departemen Spektroskopi, Pusat Panalungtikan Nasional, Kairo, Mesir. Modél-modél ieu dioptimalkeun nganggo DFT dina tingkat B3LYP/6-311G(d, p)39,40,41,42. Pikeun mastikeun interaksi antara modél anu ditalungtik, studi frékuénsi anu dilakukeun dina tingkat téori anu sami nunjukkeun stabilitas géométri anu dioptimalkeun. Henteuna frékuénsi négatip di antara sadaya frékuénsi anu dievaluasi nyorot struktur anu disimpulkeun dina minima positif anu leres dina permukaan énergi poténsial. Parameter fisik sapertos TDM, énergi celah pita HOMO/LUMO sareng MESP diitung dina tingkat téori mékanika kuantum anu sami. Salian ti éta, sababaraha parameter termal sapertos panas ahir formasi, énergi bébas, éntropi, entalpi sareng kapasitas panas diitung nganggo rumus anu dipasihkeun dina Tabel 1. Modél anu ditalungtik diuji nganggo téori kuantum atom dina molekul (QTAIM) pikeun ngaidentipikasi interaksi anu lumangsung dina permukaan struktur anu ditalungtik. Itungan ieu dilakukeun nganggo paréntah "output=wfn" dina kode perangkat lunak Gaussian 09 teras divisualisasikeun nganggo kode perangkat lunak Avogadro 43.
Di mana E nyaéta énergi internal, P nyaéta tekanan, V nyaéta volume, Q nyaéta pertukaran panas antara sistem sareng lingkunganana, T nyaéta suhu, ΔH nyaéta parobahan entalpi, ΔG nyaéta parobahan énergi bébas, ΔS nyaéta parobahan entropi, a sareng b nyaéta parameter geteran, q nyaéta muatan atom, sareng C nyaéta kapadetan éléktron atom44,45. Pamungkas, struktur anu sami dioptimalkeun sareng parameter QSAR diitung dina tingkat PM6 nganggo kode perangkat lunak SCIGRESS46 di Departemen Spektroskopi Pusat Panalungtikan Nasional di Kairo, Mesir.
Dina karya kami sateuacanna47, kami meunteun modél anu paling dipikaresep anu ngajelaskeun interaksi tilu unit PVA sareng dua unit NaAlg, kalayan gliserol bertindak salaku plasticizer. Sakumaha anu parantos disebatkeun di luhur, aya dua kamungkinan pikeun interaksi PVA sareng NaAlg. Dua modél, anu ditunjuk 3PVA-2Na Alg (dumasar kana nomer karbon 10) sareng Term 1Na Alg-3PVA-Mid 1Na Alg, gaduh nilai celah énergi pangleutikna48 dibandingkeun sareng struktur sanés anu dipertimbangkeun. Ku alatan éta, pangaruh panambahan Gly kana modél anu paling dipikaresep tina polimér campuran PVA/Na Alg ditalungtik nganggo dua struktur anu terakhir: 3PVA-(C10)2Na Alg (disebat 3PVA-2Na Alg pikeun kasederhanaan) sareng Term 1 Na Alg − 3PVA-Mid 1 Na Alg. Numutkeun literatur, PVA, NaAlg sareng gliserol ngan ukur tiasa ngabentuk beungkeut hidrogén anu lemah antara gugus fungsi hidroksil. Kusabab trimer PVA sareng dimer NaAlg sareng gliserol ngandung sababaraha gugus OH, kontak tiasa diwujudkeun ngalangkungan salah sahiji gugus OH. Gambar 1 nunjukkeun interaksi antara molekul gliserol modél sareng molekul modél 3PVA-2NaAlg, sareng Gambar 2 nunjukkeun modél anu diwangun tina interaksi antara molekul modél Istilah 1NaAlg-3PVA-Mid 1NaAlg sareng konsentrasi gliserol anu béda.
Struktur anu dioptimalkeun: (a) Gly sareng 3PVA − 2Na Alg berinteraksi sareng (b) 1 Gly, (c) 2 Gly, (d) 3 Gly, (e) 4 Gly, sareng (f) 5 Gly.
Struktur anu dioptimalkeun tina Istilah 1Na Alg-3PVA –Mid 1Na Alg anu berinteraksi sareng (a) 1 Gly, (b) 2 Gly, (c) 3 Gly, (d) 4 Gly, (e) 5 Gly, sareng (f) 6 Gly.
Énergi celah pita éléktron mangrupikeun parameter penting anu kedah dipertimbangkeun nalika nalungtik réaktivitas bahan éléktroda naon waé. Kusabab éta ngajelaskeun paripolah éléktron nalika bahan kakeunaan parobahan éksternal. Ku kituna, perlu pikeun ngira-ngira énergi celah pita éléktron HOMO/LUMO pikeun sadaya struktur anu ditalungtik. Tabel 2 nunjukkeun parobahan dina énergi HOMO/LUMO tina 3PVA-(C10)2Na Alg sareng Istilah 1Na Alg − 3PVA- Mid 1Na Alg kusabab panambahan gliserol. Numutkeun ref47, nilai Eg tina 3PVA-(C10)2Na Alg nyaéta 0,2908 eV, sedengkeun nilai Eg tina struktur anu ngagambarkeun probabilitas interaksi kadua (nyaéta, Istilah 1Na Alg − 3PVA- Mid 1Na Alg) nyaéta 0,5706 eV.
Nanging, kapanggih yén panambahan gliserol nyababkeun parobahan sakedik dina nilai Eg tina 3PVA-(C10)2NaAlg. Nalika 3PVA-(C10)2NaAlg berinteraksi sareng 1, 2, 3, 4 sareng 5 unit gliserol, nilai Eg-na masing-masing janten 0,302, 0,299, 0,308, 0,289 sareng 0,281 eV. Nanging, aya wawasan anu berharga yén saatos nambihan 3 unit gliserol, nilai Eg janten langkung alit tibatan 3PVA-(C10)2NaAlg. Modél anu ngagambarkeun interaksi 3PVA-(C10)2NaAlg sareng lima unit gliserol mangrupikeun modél interaksi anu paling dipikaresep. Ieu ngandung harti yén nalika jumlah unit gliserol ningkat, kamungkinan interaksi ogé ningkat.
Samentara éta, pikeun probabilitas interaksi anu kadua, énergi HOMO/LUMO tina molekul modél anu ngawakilan Istilah 1Na Alg − 3PVA –Mid 1Na Alg- 1Gly, Istilah 1Na Alg − 3PVA –Mid 1Na Alg- 2Gly, Istilah 1Na Alg − 3PVA –Mid 1Na Alg- 3Gly, Istilah 1Na Alg − 3PVA –Mid 1Na Alg- 4Gly, Istilah 1Na Alg − 3PVA –Mid 1Na Alg- 5Gly sareng Istilah 1Na Alg − 3PVA –Mid 1Na Alg- 6Gly masing-masing janten 1,343, 1,347, 0,976, 0,607, 0,348 sareng 0,496 eV. Tabel 2 nunjukkeun énergi celah pita HOMO/LUMO anu diitung pikeun sadaya struktur. Leuwih ti éta, paripolah anu sami tina probabilitas interaksi tina grup kahiji diulang di dieu.
Téori pita dina fisika kaayaan padet nyatakeun yén nalika celah pita bahan éléktroda nurun, konduktivitas éléktronik bahan éta ningkat. Doping mangrupikeun metode umum pikeun ngirangan celah pita bahan katoda ion natrium. Jiang et al. nganggo doping Cu pikeun ningkatkeun konduktivitas éléktronik bahan berlapis β-NaMnO2. Ngagunakeun itungan DFT, aranjeunna mendakan yén doping ngirangan celah pita bahan tina 0,7 eV janten 0,3 eV. Ieu nunjukkeun yén doping Cu ningkatkeun konduktivitas éléktronik bahan β-NaMnO2.
MESP dihartikeun salaku énergi interaksi antara distribusi muatan molekular sareng muatan positif tunggal. MESP dianggap alat anu efektif pikeun ngartos sareng napsirkeun sipat kimia sareng réaktivitas. MESP tiasa dianggo pikeun ngartos mékanisme interaksi antara bahan polimér. MESP ngajelaskeun distribusi muatan dina sanyawa anu ditalungtik. Salian ti éta, MESP nyayogikeun inpormasi ngeunaan situs aktif dina bahan anu ditalungtik32. Gambar 3 nunjukkeun plot MESP tina 3PVA-(C10) 2Na Alg, 3PVA-(C10) 2Na Alg − 1Gly, 3PVA-(C10) 2Na Alg − 2Gly, 3PVA-(C10) 2Na Alg − 3Gly, 3PVA-(C10) 2Na Alg − 4Gly, sareng 3PVA-(C10) 2Na Alg − 5Gly anu diprediksi dina tingkat téori B3LYP/6-311G(d, p).
Kontur MESP diitung nganggo B3LYP/6-311 g(d, p) pikeun (a) Gly sareng 3PVA − 2Na Alg anu berinteraksi sareng (b) 1 Gly, (c) 2 Gly, (d) 3 Gly, (e) 4 Gly, sareng (f) 5 Gly.
Samentara éta, Gambar 4 nunjukkeun hasil MESP anu diitung pikeun Istilah 1Na Alg- 3PVA – Mid 1Na Alg, Istilah 1Na Alg- 3PVA – Mid 1Na Alg- 1Gly, Istilah 1Na Alg- 3PVA – Mid 1Na Alg − 2Gly, Istilah 1Na Alg- 3PVA – Mid 1Na Alg − 3gly, Istilah 1Na Alg- 3PVA – Mid 1Na Alg − 4Gly, Istilah 1Na Alg- 3PVA – Mid 1Na Alg- 5gly sareng Istilah 1Na Alg- 3PVA – Mid 1Na Alg − 6Gly, masing-masing. MESP anu diitung digambarkeun salaku paripolah kontur. Garis kontur digambarkeun ku warna anu béda. Unggal warna ngagambarkeun nilai éléktronégativitas anu béda. Warna beureum nunjukkeun situs anu éléktronégatif pisan atanapi réaktif. Samentara éta, warna konéng ngagambarkeun situs nétral 49, 50, 51 dina struktur. Hasil MESP nunjukkeun yén réaktivitas 3PVA-(C10)2Na Alg ningkat kalayan ningkatna warna beureum di sakitar modél anu ditalungtik. Samentawis éta, inténsitas warna beureum dina peta MESP tina molekul modél Istilah 1Na Alg-3PVA – Mid 1Na Alg nurun kusabab interaksi sareng eusi gliserol anu béda. Parobihan dina distribusi warna beureum di sakitar struktur anu diusulkeun ngagambarkeun réaktivitas, sedengkeun paningkatan inténsitas mastikeun paningkatan éléktronégativitas molekul modél 3PVA-(C10)2Na Alg kusabab ningkatna eusi gliserol.
B3LYP/6-311 g(d, p) diitung tina Istilah MESP tina 1Na Alg-3PVA-Mid 1Na Alg anu berinteraksi sareng (a) 1 Gly, (b) 2 Gly, (c) 3 Gly, (d) 4 Gly, (e) 5 Gly, sareng (f) 6 Gly.
Sadaya struktur anu diusulkeun gaduh parameter termal sapertos entalpi, entropi, kapasitas panas, énergi bébas sareng panas formasi anu diitung dina suhu anu béda-béda dina kisaran ti 200 K dugi ka 500 K. Pikeun ngajelaskeun paripolah sistem fisik, salian ti nalungtik paripolah éléktronikna, perlu ogé nalungtik paripolah termalna salaku fungsi suhu kusabab interaksi silih, anu tiasa diitung nganggo persamaan anu dipasihkeun dina Tabel 1. Ulikan ngeunaan parameter termal ieu dianggap salaku indikator penting tina résponsif sareng stabilitas sistem fisik sapertos kitu dina suhu anu béda-béda.
Sedengkeun pikeun entalpi trimer PVA, mimitina réaksi sareng dimer NaAlg, teras ngalangkungan gugus OH anu napel kana atom karbon #10, sareng pamungkas sareng gliserol. Entalpi nyaéta ukuran énergi dina sistem termodinamika. Entalpi sami sareng total panas dina hiji sistem, anu sami sareng énergi internal sistem ditambah produk volume sareng tekananna. Kalayan kecap sanésna, entalpi nunjukkeun sabaraha panas sareng padamelan anu ditambahkeun atanapi dipiceun tina hiji zat52.
Gambar 5 nunjukkeun parobahan entalpi salami réaksi 3PVA-(C10)2Na Alg kalayan konsentrasi gliserol anu béda. Singgetan A0, A1, A2, A3, A4, sareng A5 ngagambarkeun molekul modél 3PVA-(C10)2Na Alg, 3PVA-(C10)2Na Alg − 1 Gly, 3PVA-(C10)2Na Alg − 2Gly, 3PVA-(C10)2Na Alg − 3Gly, 3PVA-(C10)2Na Alg − 4Gly, sareng 3PVA-(C10)2Na Alg − 5Gly, masing-masing. Gambar 5a nunjukkeun yén entalpi ningkat kalayan ningkatna suhu sareng eusi gliserol. Éntalpi struktur anu ngawakilan 3PVA-(C10)2NaAlg − 5Gly (nyaéta, A5) dina 200 K nyaéta 27,966 kal/mol, sedengkeun éntalpi struktur anu ngawakilan 3PVA-2NaAlg dina 200 K nyaéta 13,490 kal/mol. Pamungkas, kumargi éntalpi positip, réaksi ieu éndotérmik.
Éntropi dihartikeun salaku ukuran énergi anu teu sayogi dina sistem termodinamika anu katutup sareng sering dianggap salaku ukuran gangguan sistem. Gambar 5b nunjukkeun parobahan éntropi 3PVA-(C10)2NaAlg kalayan suhu sareng kumaha éta berinteraksi sareng unit gliserol anu béda. Grafik nunjukkeun yén éntropi robih sacara linier nalika suhu ningkat ti 200 K ka 500 K. Gambar 5b sacara jelas nunjukkeun yén éntropi modél 3PVA-(C10)2NaAlg condong ka 200 kal/K/mol dina 200 K sabab modél 3PVA-(C10)2NaAlg nunjukkeun gangguan kisi anu kirang. Nalika suhu ningkat, modél 3PVA-(C10)2NaAlg janten teu teratur sareng ngajelaskeun kanaékan éntropi kalayan ningkatna suhu. Leuwih ti éta, jelas yén struktur 3PVA-C10 2NaAlg-5Gly ngagaduhan nilai éntropi anu pangluhurna.
Paripolah anu sami katingali dina Gambar 5c, anu nunjukkeun parobahan kapasitas panas sareng suhu. Kapasitas panas nyaéta jumlah panas anu diperyogikeun pikeun ngarobih suhu jumlah zat anu ditangtukeun ku 1 °C47. Gambar 5c nunjukkeun parobahan kapasitas panas molekul modél 3PVA-(C10)2NaAlg kusabab interaksi sareng unit 1, 2, 3, 4, sareng 5 gliserol. Gambar éta nunjukkeun yén kapasitas panas modél 3PVA-(C10)2NaAlg ningkat sacara linier sareng suhu. Peningkatan kapasitas panas anu dititénan sareng ningkatna suhu disababkeun ku geteran termal fonon. Salaku tambahan, aya bukti yén ningkatkeun eusi gliserol nyababkeun paningkatan kapasitas panas modél 3PVA-(C10)2NaAlg. Salajengna, struktur nunjukkeun yén 3PVA-(C10)2NaAlg−5Gly gaduh nilai kapasitas panas pangluhurna dibandingkeun sareng struktur sanés.
Parameter séjén sapertos énergi bébas sareng panas ahir formasi diitung pikeun struktur anu ditalungtik sareng dipidangkeun dina Gambar 5d sareng e, masing-masing. Panas ahir formasi nyaéta panas anu dileupaskeun atanapi diserep nalika formasi zat murni tina unsur-unsur konstituénna dina tekanan konstan. Énergi bébas tiasa dihartikeun salaku sipat anu sami sareng énergi, nyaéta, nilaina gumantung kana jumlah zat dina unggal kaayaan termodinamika. Énergi bébas sareng panas formasi 3PVA-(C10)2NaAlg−5Gly mangrupikeun anu panghandapna sareng masing-masing -1318,338 sareng -1628,154 kkal/mol. Sabalikna, struktur anu ngawakilan 3PVA-(C10)2NaAlg ngagaduhan énergi bébas sareng nilai panas formasi pangluhurna masing-masing -690,340 sareng -830,673 kkal/mol, dibandingkeun sareng struktur sanés. Sakumaha anu dipidangkeun dina Gambar 5, rupa-rupa sipat termal robih kusabab interaksi sareng gliserol. Énergi bébas Gibbs négatip, nunjukkeun yén struktur anu diusulkeun stabil.
PM6 ngitung parameter termal tina 3PVA- (C10) 2Na Alg murni (modél A0), 3PVA- (C10) 2Na Alg − 1 Gly (modél A1), 3PVA- (C10) 2Na Alg − 2 Gly (modél A2), 3PVA- (C10) 2Na Alg − 3 Gly (modél A3), 3PVA- (C10) 2Na Alg − 4 Gly (modél A4), sareng 3PVA- (C10) 2Na Alg − 5 Gly (modél A5), dimana (a) nyaéta entalpi, (b) entropi, (c) kapasitas panas, (d) énergi bébas, sareng (e) panas formasi.
Di sisi séjén, mode interaksi kadua antara trimer PVA sareng NaAlg dimerik lumangsung dina gugus OH terminal sareng tengah dina struktur trimer PVA. Sapertos dina grup anu munggaran, parameter termal diitung nganggo tingkat téori anu sami. Gambar 6a-e nunjukkeun variasi entalpi, entropi, kapasitas panas, énergi bébas sareng, pamustunganana, panas formasi. Gambar 6a-c nunjukkeun yén entalpi, entropi sareng kapasitas panas tina Term 1 NaAlg-3PVA-Mid 1 NaAlg nunjukkeun paripolah anu sami sareng grup anu munggaran nalika berinteraksi sareng unit gliserol 1, 2, 3, 4, 5 sareng 6. Leuwih ti éta, nilaina laun-laun ningkat kalayan ningkatna suhu. Salaku tambahan, dina modél Term 1 Na Alg − 3PVA-Mid 1 Na Alg anu diusulkeun, nilai entalpi, entropi sareng kapasitas panas ningkat kalayan ningkatna eusi gliserol. Singgetan B0, B1, B2, B3, B4, B5 sareng B6 masing-masing ngagambarkeun struktur ieu: Term 1 Na Alg − 3PVA- Mid 1 Na Alg, Term 1 Na Alg- 3PVA- Mid 1 Na Alg − 1 Gly, Term 1 Na Alg- 3PVA- Mid 1 Na Alg − 2gly, Term 1 Na Alg- 3PVA- Mid 1 Na Alg − 3gly, Term 1 Na Alg- 3PVA- Mid 1 Na Alg − 4 Gly, Term 1 Na Alg- 3PVA- Mid 1 Na Alg − 5 Gly sareng Term 1 Na Alg- 3PVA- Mid 1 Na Alg − 6 Gly. Sakumaha anu dipidangkeun dina Gambar 6a–c, atra yén nilai entalpi, entropi sareng kapasitas panas ningkat nalika jumlah unit gliserol ningkat ti 1 dugi ka 6.
PM6 ngitung parameter termal tina Term 1 Na Alg- 3PVA- Mid 1 Na Alg murni (modél B0), Term 1 Na Alg- 3PVA- Mid 1 Na Alg – 1 Gly (modél B1), Term 1 Na Alg- 3PVA- Mid 1 Na Alg – 2 Gly (modél B2), Term 1 Na Alg- 3PVA- Mid 1 Na Alg – 3 Gly (modél B3), Term 1 Na Alg- 3PVA- Mid 1 Na Alg – 4 Gly (modél B4), Term 1 Na Alg- 3PVA- Mid 1 Na Alg – 5 Gly (modél B5), sareng Term 1 Na Alg- 3PVA- Mid 1 Na Alg – 6 Gly (modél B6), kalebet (a) entalpi, (b) entropi, (c) kapasitas panas, (d) énergi bébas, sareng (e) panas formasi.
Salian ti éta, struktur anu ngawakilan Term 1 Na Alg- 3PVA- Mid 1 Na Alg- 6 Gly ngagaduhan nilai entalpi, entropi, sareng kapasitas panas anu pangluhurna dibandingkeun sareng struktur anu sanés. Di antara éta, nilaina ningkat ti 16,703 kal/mol, 257,990 kal/mol/K sareng 131,323 kkal/mol dina Term 1 Na Alg − 3PVA- Mid 1 Na Alg janten 33,223 kal/mol, 420,038 kal/mol/K sareng 275,923 kkal/mol dina Term 1 Na Alg − 3PVA- Mid 1 Na Alg − 6 Gly, masing-masing.
Nanging, Gambar 6d sareng e nunjukkeun gumantungna suhu kana énergi bébas sareng panas formasi ahir (HF). HF tiasa dihartikeun salaku parobahan entalpi anu lumangsung nalika hiji mol zat kabentuk tina unsur-unsurna dina kaayaan alami sareng standar. Éta katingali tina gambar yén énergi bébas sareng panas formasi ahir sadaya struktur anu ditalungtik nunjukkeun gumantungna linier kana suhu, nyaéta, aranjeunna laun-laun sareng linier ningkat kalayan ningkatna suhu. Salaku tambahan, gambar éta ogé mastikeun yén struktur anu ngawakilan Istilah 1 Na Alg − 3PVA- Mid 1 Na Alg − 6 Gly gaduh énergi bébas panghandapna sareng HF panghandapna. Kadua parameter turun tina -758,337 ka -899,741 K kal/mol dina istilah 1 Na Alg − 3PVA- Mid 1 Na Alg − 6 Gly ka -1.476,591 sareng -1.828,523 K kal/mol. Éta katingali tina hasil yén HF nurun kalayan ningkatna unit gliserol. Ieu ngandung harti yén kusabab ningkatna gugus fungsi, réaktivitas ogé ningkat sahingga énergi anu diperyogikeun pikeun ngalaksanakeun réaksi langkung sakedik. Ieu mastikeun yén PVA/NaAlg anu diplastisasi tiasa dianggo dina batré kusabab réaktivitasna anu luhur.
Sacara umum, pangaruh suhu dibagi jadi dua jinis: pangaruh suhu handap sareng pangaruh suhu luhur. Pangaruh suhu handap utamina karasa di nagara-nagara anu aya di garis lintang luhur, sapertos Greenland, Kanada, sareng Rusia. Dina usum tiis, suhu hawa luar di tempat-tempat ieu jauh di handap enol derajat Celsius. Umur sareng kinerja batré litium-ion tiasa kapangaruhan ku suhu handap, khususna anu dianggo dina kendaraan listrik hibrida plug-in, kendaraan listrik murni, sareng kendaraan listrik hibrida. Perjalanan luar angkasa mangrupikeun lingkungan tiis anu sanés anu meryogikeun batré litium-ion. Salaku conto, suhu di Mars tiasa turun ka -120 derajat Celsius, anu janten halangan anu signifikan pikeun panggunaan batré litium-ion dina pesawat ruang angkasa. Suhu operasi anu handap tiasa nyababkeun panurunan laju transfer muatan sareng aktivitas réaksi kimia batré litium-ion, anu nyababkeun panurunan laju difusi ion litium di jero éléktroda sareng konduktivitas ionik dina éléktrolit. Degradasi ieu nyababkeun kapasitas sareng daya énergi anu turun, sareng kadang-kadang malah ngirangan kinerja53.
Éfék suhu luhur lumangsung dina rupa-rupa lingkungan aplikasi, kaasup lingkungan suhu luhur jeung handap, sedengkeun éfék suhu handap utamana diwatesan ku lingkungan aplikasi suhu handap. Éfék suhu handap utamana ditangtukeun ku suhu lingkungan, sedengkeun éfék suhu luhur biasana leuwih akurat dikaitkeun jeung suhu luhur di jero batré litium-ion nalika operasi.
Batré litium-ion ngahasilkeun panas dina kaayaan arus anu luhur (kalebet ngecas gancang sareng ngosongkeun gancang), anu nyababkeun suhu internal naék. Paparan suhu anu luhur ogé tiasa nyababkeun turunna kinerja batré, kalebet kaleungitan kapasitas sareng daya. Biasana, leungitna litium sareng pamulihan bahan aktif dina suhu anu luhur nyababkeun leungitna kapasitas, sareng leungitna daya disababkeun ku paningkatan résistansi internal. Upami suhu teu terkendali, bakal aya panurunan termal, anu dina sababaraha kasus tiasa nyababkeun durukan spontan atanapi bahkan ledakan.
Itungan QSAR nyaéta metode modél komputasi atanapi matematis anu dianggo pikeun ngaidentipikasi hubungan antara aktivitas biologis sareng sipat struktural sanyawa. Sadaya molekul anu dirancang dioptimalkeun sareng sababaraha sipat QSAR diitung dina tingkat PM6. Tabel 3 ngadaptar sababaraha deskriptor QSAR anu diitung. Conto deskriptor sapertos kitu nyaéta muatan, TDM, énergi total (E), poténsi ionisasi (IP), Log P, sareng polarisabilitas (tingali Tabel 1 pikeun rumus pikeun nangtukeun IP sareng Log P).
Hasil itungan nunjukkeun yén muatan total sadaya struktur anu ditalungtik nyaéta nol sabab aya dina kaayaan dasar. Pikeun probabilitas interaksi anu munggaran, TDM gliserol nyaéta 2,788 Debye sareng 6,840 Debye pikeun 3PVA-(C10)2NaAlg, sedengkeun nilai TDM ningkat janten 17,990 Debye, 8,848 Debye, 5,874 Debye, 7,568 Debye sareng 12,779 Debye nalika 3PVA-(C10)2NaAlg berinteraksi sareng 1, 2, 3, 4 sareng 5 unit gliserol, masing-masing. Beuki luhur nilai TDM, beuki luhur réaktivitasna sareng lingkungan.
Énergi total (E) ogé diitung, sareng nilai E gliserol sareng 3PVA-(C10)2 NaAlg kapanggih masing-masing -141,833 eV sareng -200092,503 eV. Samentawis éta, struktur anu ngawakilan 3PVA-(C10)2 NaAlg berinteraksi sareng 1, 2, 3, 4 sareng 5 unit gliserol; E janten masing-masing -996,837, -1108,440, -1238,740, -1372,075 sareng -1548,031 eV. Ningkatna eusi gliserol nyababkeun panurunan énergi total sareng ku kituna ningkatna réaktivitas. Dumasar kana itungan énergi total, disimpulkeun yén molekul modél, nyaéta 3PVA-2Na Alg-5 Gly, langkung réaktif tibatan molekul modél anu sanés. Fenomena ieu aya hubunganana sareng strukturna. 3PVA-(C10)2NaAlg ngan ngandung dua gugus -COONa, sedengkeun struktur anu sanésna ngandung dua gugus -COONa tapi ngandung sababaraha gugus OH, anu hartosna réaktivitasna ka lingkungan ningkat.
Salian ti éta, énergi ionisasi (IE) tina sadaya struktur dipertimbangkeun dina panilitian ieu. Énergi ionisasi mangrupikeun parameter penting pikeun ngukur réaktivitas modél anu ditalungtik. Énergi anu diperyogikeun pikeun mindahkeun éléktron ti hiji titik molekul ka tak terhingga disebut énergi ionisasi. Éta ngagambarkeun tingkat ionisasi (nyaéta réaktivitas) molekul. Beuki luhur énergi ionisasi, beuki handap réaktivitasna. Hasil IE tina 3PVA-(C10)2NaAlg anu berinteraksi sareng 1, 2, 3, 4 sareng 5 unit gliserol nyaéta -9,256, -9,393, -9,393, -9,248 sareng -9,323 eV, masing-masing, sedengkeun IE gliserol sareng 3PVA-(C10)2NaAlg nyaéta -5,157 sareng -9,341 eV, masing-masing. Kusabab panambahan gliserol nyababkeun panurunan dina nilai IP, réaktivitas molekuler ningkat, anu ningkatkeun aplikasi molekul modél PVA/NaAlg/gliserol dina alat éléktrokimia.
Déskriptor kalima dina Tabel 3 nyaéta Log P, nyaéta logaritma koéfisién partisi sareng dianggo pikeun ngajelaskeun naha struktur anu keur ditalungtik téh hidrofilik atanapi hidrofobik. Nilai Log P négatif nunjukkeun molekul hidrofilik, hartina éta gampang leyur dina cai sareng goréng leyur dina pangleyur organik. Nilai positif nunjukkeun prosés anu sabalikna.
Dumasar kana hasil anu diala, tiasa disimpulkeun yén sadaya struktur éta hidrofilik, kumargi nilai Log P-na (3PVA-(C10)2Na Alg − 1Gly, 3PVA-(C10)2Na Alg − 2Gly, 3PVA-(C10)2Na Alg − 3Gly, 3PVA-(C10)2Na Alg − 4Gly sareng 3PVA-(C10)2Na Alg − 5Gly) masing-masing nyaéta -3,537, -5,261, -6,342, -7,423 sareng -8,504, sedengkeun nilai Log P gliserol ngan ukur -1,081 sareng 3PVA-(C10)2Na Alg ngan ukur -3,100. Ieu ngandung harti yén sipat struktur anu ditalungtik bakal robih nalika molekul cai dilebetkeun kana strukturna.
Pamungkas, polarisabilitas sadaya struktur ogé diitung dina tingkat PM6 nganggo metode semi-empiris. Saméméhna parantos dicatet yén polarisabilitas kalolobaan bahan gumantung kana sababaraha faktor. Faktor anu paling penting nyaéta volume struktur anu ditalungtik. Pikeun sadaya struktur anu ngalibatkeun jinis interaksi munggaran antara 3PVA sareng 2NaAlg (interaksi lumangsung ngalangkungan atom karbon nomer 10), polarisabilitas ningkat ku panambahan gliserol. Polarisabilitas ningkat ti 29,690 Å ka 35,076, 40,665, 45,177, 50,239 sareng 54,638 Å kusabab interaksi sareng unit 1, 2, 3, 4 sareng 5 gliserol. Ku kituna, kapanggih yén molekul modél anu mibanda polarisabilitas pangluhurna nyaéta 3PVA-(C10)2NaAlg−5Gly, sedengkeun molekul modél anu mibanda polarisabilitas panghandapna nyaéta 3PVA-(C10)2NaAlg, nyaéta 29,690 Å.
Evaluasi deskriptor QSAR ngungkabkeun yén struktur anu ngawakilan 3PVA-(C10)2NaAlg − 5Gly nyaéta anu paling réaktif pikeun interaksi anu munggaran anu diusulkeun.
Pikeun mode interaksi kadua antara trimer PVA sareng dimer NaAlg, hasilna nunjukkeun yén muatanna sami sareng anu diusulkeun dina bagian sateuacana pikeun interaksi anu munggaran. Sadaya struktur gaduh muatan éléktronik nol, anu hartosna sadayana aya dina kaayaan dasar.
Sakumaha anu dipidangkeun dina Tabel 4, nilai TDM (diitung dina tingkat PM6) tina Term 1 Na Alg − 3PVA-Mid 1 Na Alg ningkat tina 11,581 Debye janten 15,756, 19,720, 21,756, 22,732, 15,507, sareng 15,756 nalika Term 1 Na Alg − 3PVA-Mid 1 Na Alg diréaksikeun sareng 1, 2, 3, 4, 5, sareng 6 unit gliserol. Nanging, total énergi nurun kalayan ningkatna jumlah unit gliserol, sareng nalika Term 1 Na Alg − 3PVA- Mid 1 Na Alg berinteraksi sareng sababaraha unit gliserol (1 dugi ka 6), total énergina nyaéta − 996,985, − 1129,013, − 1267,211, − 1321,775, − 1418,964, sareng − 1637,432 eV, masing-masing.
Pikeun probabilitas interaksi kadua, IP, Log P sareng polarisabilitas ogé diitung dina tingkat téori PM6. Ku kituna, aranjeunna mertimbangkeun tilu deskriptor anu paling kuat pikeun réaktivitas molekuler. Pikeun struktur anu ngawakilan End 1 Na Alg-3PVA-Mid 1 Na Alg anu berinteraksi sareng unit 1, 2, 3, 4, 5 sareng 6 gliserol, IP ningkat tina −9,385 eV ka −8,946, −8,848, −8,430, −9,537, −7,997 sareng −8,900 eV. Nanging, nilai Log P anu diitung langkung handap kusabab plastisisasi End 1 Na Alg-3PVA-Mid 1 Na Alg sareng gliserol. Nalika kandungan gliserol ningkat ti 1 ka 6, nilaina janten -5,334, -6,415, -7,496, -9,096, -9,861 sareng -10,53 tinimbang -3,643. Pamungkas, data polarisabilitas nunjukkeun yén ningkatkeun kandungan gliserol nyababkeun paningkatan polarisabilitas Term 1 Na Alg- 3PVA- Mid 1 Na Alg. Polarisabilitas molekul modél Term 1 Na Alg- 3PVA- Mid 1 Na Alg ningkat ti 31,703 Å ka 63,198 Å saatos interaksi sareng 6 unit gliserol. Penting pikeun dicatet yén ningkatkeun jumlah unit gliserol dina probabilitas interaksi kadua dilaksanakeun pikeun mastikeun yén sanaos jumlah atom sareng struktur anu rumit seueur, kinerjana masih ningkat kalayan paningkatan kandungan gliserol. Ku kituna, tiasa disebatkeun yén modél PVA/Na Alg/gliserin anu sayogi tiasa ngagentos sabagian batré litium-ion, tapi peryogi langkung seueur panalungtikan sareng pamekaran.
Ngacirikeun kapasitas ngabeungkeut hiji permukaan kana adsorbat sareng meunteun interaksi unik antara sistem meryogikeun pangaweruh ngeunaan jinis beungkeut anu aya antara dua atom, kompleksitas interaksi intermolekul sareng intramolekul, sareng distribusi kapadetan éléktron permukaan sareng adsorben. Kapadetan éléktron dina titik kritis beungkeut (BCP) antara atom anu berinteraksi penting pisan pikeun meunteun kakuatan beungkeut dina analisis QTAIM. Beuki luhur kapadetan muatan éléktron, beuki stabil interaksi kovalén sareng, sacara umum, beuki luhur kapadetan éléktron dina titik kritis ieu. Leuwih ti éta, upami duanana kapadetan énergi éléktron total (H(r)) sareng kapadetan muatan Laplace (∇2ρ(r)) kirang ti 0, ieu nunjukkeun ayana interaksi kovalén (umum). Di sisi séjén, nalika ∇2ρ(r) sareng H(r) langkung ageung ti 0,54, éta nunjukkeun ayana interaksi non-kovalén (cangkang katutup) sapertos beungkeut hidrogén lemah, gaya van der Waals sareng interaksi éléktrostatik. Analisis QTAIM ngungkabkeun sifat interaksi non-kovalén dina struktur anu ditalungtik sapertos anu dipidangkeun dina Gambar 7 sareng 8. Dumasar kana analisis, molekul modél anu ngawakilan 3PVA − 2Na Alg sareng Term 1 Na Alg − 3PVA –Mid 1 Na Alg nunjukkeun stabilitas anu langkung luhur tibatan molekul anu berinteraksi sareng unit glisin anu béda. Ieu kusabab sababaraha interaksi non-kovalén anu langkung umum dina struktur alginat sapertos interaksi éléktrostatik sareng beungkeut hidrogén ngamungkinkeun alginat pikeun ngastabilkeun komposit. Salajengna, hasil kami nunjukkeun pentingna interaksi non-kovalén antara molekul modél 3PVA − 2Na Alg sareng Term 1 Na Alg − 3PVA –Mid 1 Na Alg sareng glisin, nunjukkeun yén glisin maénkeun peran penting dina ngarobih lingkungan éléktronik komposit sacara umum.
Analisis QTAIM tina molekul modél 3PVA − 2NaAlg anu berinteraksi sareng (a) 0 Gly, (b) 1 Gly, (c) 2 Gly, (d) 3 Gly, (e) 4 Gly, sareng (f) 5Gly.