Salamat sa pagbisita sa nature.com. Limitado ang suporta sa CSS sa bersyon ng browser na iyong ginagamit. Para sa pinakamahusay na karanasan, inirerekomenda namin ang paggamit ng pinakabagong bersyon ng browser (o pag-off ng compatibility mode sa Internet Explorer). Bukod pa rito, upang matiyak ang patuloy na suporta, hindi isasama ng site na ito ang mga estilo o JavaScript.
Dahil sa masaganang mapagkukunan ng sodium, ang mga sodium-ion batteries (NIBs) ay kumakatawan sa isang promising na alternatibong solusyon para sa electrochemical energy storage. Sa kasalukuyan, ang pangunahing balakid sa pag-unlad ng teknolohiya ng NIB ay ang kakulangan ng mga electrode material na maaaring mag-imbak/maglabas ng sodium ions nang pabaliktad sa loob ng mahabang panahon. Samakatuwid, ang layunin ng pag-aaral na ito ay upang siyasatin sa teorya ang epekto ng pagdaragdag ng glycerol sa polyvinyl alcohol (PVA) at sodium alginate (NaAlg) blends bilang mga NIB electrode material. Ang pag-aaral na ito ay nakatuon sa electronic, thermal, at quantitative structure-activity relationship (QSAR) descriptors ng polymer electrolytes batay sa PVA, sodium alginate, at glycerol blends. Ang mga katangiang ito ay sinisiyasat gamit ang semi-empirical methods at density functional theory (DFT). Dahil ang structural analysis ay nagsiwalat ng mga detalye ng mga interaksyon sa pagitan ng PVA/alginate at glycerol, sinisiyasat ang band gap energy (Eg). Ipinapakita ng mga resulta na ang pagdaragdag ng glycerol ay nagreresulta sa pagbaba ng halaga ng Eg sa 0.2814 eV. Ang molecular electrostatic potential surface (MESP) ay nagpapakita ng distribusyon ng mga rehiyon na mayaman sa electron at mahihirap sa electron at mga molecular charge sa buong electrolyte system. Ang mga thermal parameter na pinag-aralan ay kinabibilangan ng enthalpy (H), entropy (ΔS), heat capacity (Cp), Gibbs free energy (G) at heat of formation. Bukod pa rito, ilang quantitative structure-activity relationship (QSAR) descriptors tulad ng total dipole moment (TDM), total energy (E), ionization potential (IP), Log P at polarizability ang sinuri sa pag-aaral na ito. Ang mga resulta ay nagpakita na ang H, ΔS, Cp, G at TDM ay tumaas kasabay ng pagtaas ng temperatura at glycerol content. Samantala, ang heat of formation, IP at E ay bumaba, na nagpabuti sa reactivity at polarizability. Bukod pa rito, sa pamamagitan ng pagdaragdag ng glycerol, ang cell voltage ay tumaas sa 2.488 V. Ang mga kalkulasyon ng DFT at PM6 batay sa cost-effective na PVA/Na Alg glycerol-based electrolytes ay nagpapakita na maaari nilang bahagyang palitan ang mga lithium-ion batteries dahil sa kanilang multifunctionality, ngunit kailangan pa ng mga karagdagang pagpapabuti at pananaliksik.
Bagama't malawakang ginagamit ang mga lithium-ion batteries (LIBs), ang kanilang aplikasyon ay nahaharap sa maraming limitasyon dahil sa kanilang maikling cycle life, mataas na gastos, at mga alalahanin sa kaligtasan. Ang mga sodium-ion batteries (SIBs) ay maaaring maging isang mabisang alternatibo sa mga LIBs dahil sa kanilang malawak na availability, mababang gastos, at hindi nakakalason na elemento ng sodium. Ang mga sodium-ion batteries (SIBs) ay nagiging isang lalong mahalagang sistema ng pag-iimbak ng enerhiya para sa mga electrochemical device1. Ang mga sodium-ion batteries ay lubos na umaasa sa mga electrolyte upang mapadali ang transportasyon ng ion at makabuo ng electrical current2,3. Ang mga liquid electrolyte ay pangunahing binubuo ng mga metal salt at mga organic solvent. Ang mga praktikal na aplikasyon ay nangangailangan ng maingat na pagsasaalang-alang sa kaligtasan ng mga liquid electrolyte, lalo na kapag ang baterya ay napapailalim sa thermal o electrical stress4.
Inaasahang papalit ang mga bateryang sodium-ion (SIB) sa mga bateryang lithium-ion sa malapit na hinaharap dahil sa kanilang masaganang reserba sa karagatan, hindi nakakalason, at mababang gastos sa materyal. Ang sintesis ng mga nanomaterial ay nagpabilis sa pag-unlad ng pag-iimbak ng datos, elektroniko, at mga optical device. Malaking kalipunan ng literatura ang nagpakita ng aplikasyon ng iba't ibang nanostructure (hal., metal oxides, graphene, nanotubes, at fullerenes) sa mga bateryang sodium-ion. Nakatuon ang pananaliksik sa pag-unlad ng mga materyales na anode, kabilang ang mga polymer, para sa mga bateryang sodium-ion dahil sa kanilang kagalingan sa maraming bagay at pagiging environment-friendly. Walang alinlangang tataas ang interes sa pananaliksik sa larangan ng mga rechargeable na bateryang polymer. Ang mga nobelang materyales na polymer electrode na may natatanging istruktura at katangian ay malamang na magbukas ng daan para sa mga teknolohiya sa pag-iimbak ng enerhiya na environment-friendly. Bagama't iba't ibang materyales na polymer electrode ang na-explore para sa paggamit sa mga bateryang sodium-ion, ang larangang ito ay nasa mga unang yugto pa lamang ng pag-unlad. Para sa mga bateryang sodium-ion, mas maraming materyales na polymer na may iba't ibang estruktural na configuration ang kailangang tuklasin. Batay sa ating kasalukuyang kaalaman sa mekanismo ng pag-iimbak ng mga sodium ion sa mga materyales ng polymer electrode, maaaring ipalagay na ang mga carbonyl group, free radical, at heteroatoms sa conjugated system ay maaaring magsilbing aktibong site para sa interaksyon sa mga sodium ion. Samakatuwid, mahalaga na bumuo ng mga bagong polymer na may mataas na densidad ng mga aktibong site na ito. Ang gel polymer electrolyte (GPE) ay isang alternatibong teknolohiya na nagpapabuti sa pagiging maaasahan ng baterya, ion conductivity, walang leakage, mataas na flexibility, at mahusay na performance12.
Kabilang sa mga polymer matrice ang mga materyales tulad ng PVA at polyethylene oxide (PEO)13. Pinapanatili ng gel permeable polymer (GPE) ang immobilization ng liquid electrolyte sa polymer matrix, na nagbabawas sa panganib ng leakage kumpara sa mga commercial separator14. Ang PVA ay isang synthetic biodegradable polymer. Ito ay may mataas na permittivity, mura at hindi nakakalason. Ang materyal ay kilala sa mga katangian nitong bumubuo ng film, chemical stability at adhesion. Mayroon din itong functional (OH) groups at mataas na cross-linking potential density15,16,17. Ang polymer blending, plasticizer addition, composite addition at in situ polymerization techniques ay ginamit upang mapabuti ang conductivity ng PVA-based polymer electrolytes upang mabawasan ang matrix crystallinity at mapataas ang chain flexibility18,19,20.
Ang paghahalo ay isang mahalagang pamamaraan para sa pagbuo ng mga materyales na polimeriko para sa mga aplikasyong pang-industriya. Ang mga paghahalo ng polimer ay kadalasang ginagamit upang: (1) mapabuti ang mga katangian ng pagproseso ng mga natural na polimer sa mga aplikasyong pang-industriya; (2) mapabuti ang mga kemikal, pisikal, at mekanikal na katangian ng mga biodegradable na materyales; at (3) umangkop sa mabilis na nagbabagong pangangailangan para sa mga bagong materyales sa industriya ng packaging ng pagkain. Hindi tulad ng copolymerization, ang paghahalo ng polimeriko ay isang mababang gastos na proseso na gumagamit ng mga simpleng pisikal na proseso sa halip na mga kumplikadong prosesong kemikal upang makamit ang ninanais na mga katangian21. Upang bumuo ng mga homopolymer, ang iba't ibang polimer ay maaaring makipag-ugnayan sa pamamagitan ng mga puwersa ng dipole-dipole, mga hydrogen bond, o mga charge-transfer complex22,23. Ang mga paghahalo na gawa sa natural at sintetikong polimer ay maaaring pagsamahin ang mahusay na biocompatibility na may mahusay na mga mekanikal na katangian, na lumilikha ng isang superior na materyal sa mababang gastos sa produksyon24,25. Samakatuwid, nagkaroon ng malaking interes sa paglikha ng mga biorelevant na materyales na polimeriko sa pamamagitan ng paghahalo ng mga sintetiko at natural na polimer. Ang PVA ay maaaring pagsamahin sa sodium alginate (NaAlg), cellulose, chitosan at starch26.
Ang sodium alginate ay isang natural na polimer at anionic polysaccharide na kinuha mula sa marine brown algae. Ang sodium alginate ay binubuo ng β-(1-4)-linked D-mannuronic acid (M) at α-(1-4)-linked L-guluronic acid (G) na nakaayos sa mga homopolymeric form (poly-M at poly-G) at heteropolymeric blocks (MG o GM)27. Ang nilalaman at relatibong ratio ng mga M at G block ay may malaking epekto sa kemikal at pisikal na katangian ng alginate28,29. Ang sodium alginate ay malawakang ginagamit at pinag-aaralan dahil sa biodegradability, biocompatibility, mababang gastos, mahusay na katangian ng pagbuo ng pelikula, at hindi nakakalason. Gayunpaman, ang isang malaking bilang ng mga free hydroxyl (OH) at carboxylate (COO) groups sa alginate chain ay ginagawang lubos na hydrophilic ang alginate. Gayunpaman, ang alginate ay may mahinang mekanikal na katangian dahil sa pagiging malutong at matigas nito. Samakatuwid, ang alginate ay maaaring pagsamahin sa iba pang mga sintetikong materyales upang mapabuti ang sensitivity sa tubig at mga mekanikal na katangian30,31.
Bago magdisenyo ng mga bagong materyales ng elektrod, ang mga kalkulasyon ng DFT ay kadalasang ginagamit upang suriin ang posibilidad ng paggawa ng mga bagong materyales. Bukod pa rito, ginagamit ng mga siyentipiko ang molecular modeling upang kumpirmahin at hulaan ang mga resulta ng eksperimento, makatipid ng oras, mabawasan ang pag-aaksaya ng kemikal, at mahulaan ang pag-uugali ng interaksyon32. Ang molecular modeling ay naging isang makapangyarihan at mahalagang sangay ng agham sa maraming larangan, kabilang ang agham ng mga materyales, nanomaterials, computational chemistry, at pagtuklas ng gamot33,34. Gamit ang mga programa sa pagmomodelo, direktang makakakuha ang mga siyentipiko ng datos ng molekula, kabilang ang enerhiya (init ng pagbuo, potensyal ng ionization, enerhiya ng pag-activate, atbp.) at geometry (mga anggulo ng bond, haba ng bond, at mga anggulo ng torsion)35. Bilang karagdagan, maaaring kalkulahin ang mga elektronikong katangian (charge, enerhiya ng HOMO at LUMO band gap, electron affinity), mga katangian ng spectral (mga katangiang vibrational mode at intensity tulad ng FTIR spectra), at mga katangian ng bulk (volume, diffusion, viscosity, modulus, atbp.)36.
Ang LiNiPO4 ay nagpapakita ng mga potensyal na bentahe sa pakikipagkumpitensya sa mga materyales na may positibong elektrod ng baterya ng lithium-ion dahil sa mataas na densidad ng enerhiya nito (working voltage na humigit-kumulang 5.1 V). Upang lubos na magamit ang bentahe ng LiNiPO4 sa rehiyon na may mataas na boltahe, kailangang ibaba ang working voltage dahil ang kasalukuyang nabubuong high-voltage electrolyte ay maaari lamang manatiling medyo matatag sa mga boltahe na mas mababa sa 4.8 V. Sinuri nina Zhang et al. ang doping ng lahat ng 3d, 4d, at 5d transition metal sa Ni site ng LiNiPO4, pinili ang mga doping pattern na may mahusay na electrochemical performance, at inayos ang working voltage ng LiNiPO4 habang pinapanatili ang relatibong katatagan ng electrochemical performance nito. Ang pinakamababang working voltage na kanilang nakuha ay 4.21, 3.76, at 3.5037 para sa Ti, Nb, at Ta-doped LiNiPO4, ayon sa pagkakabanggit.
Samakatuwid, ang layunin ng pag-aaral na ito ay upang teoretikal na siyasatin ang epekto ng glycerol bilang isang plasticizer sa mga elektronikong katangian, mga deskriptor ng QSAR at mga thermal na katangian ng sistemang PVA/NaAlg gamit ang mga kalkulasyon ng quantum mechanical para sa aplikasyon nito sa mga rechargeable na baterya ng ion-ion. Ang mga molekular na interaksyon sa pagitan ng modelo ng PVA/NaAlg at glycerol ay sinuri gamit ang quantum atomic theory of molecules (QTAIM) ni Bader.
Isang modelo ng molekula na kumakatawan sa interaksyon ng PVA sa NaAlg at pagkatapos ay sa glycerol ang in-optimize gamit ang DFT. Ang modelo ay kinalkula gamit ang Gaussian 0938 software sa Spectroscopy Department, National Research Center, Cairo, Egypt. Ang mga modelo ay in-optimize gamit ang DFT sa antas ng B3LYP/6-311G(d, p)39,40,41,42. Upang mapatunayan ang interaksyon sa pagitan ng mga pinag-aralang modelo, ang mga pag-aaral ng dalas na isinagawa sa parehong antas ng teorya ay nagpapakita ng katatagan ng na-optimize na geometry. Ang kawalan ng mga negatibong dalas sa lahat ng nasuring dalas ay nagbibigay-diin sa hinuha na istruktura sa tunay na positibong minima sa ibabaw ng potensyal na enerhiya. Ang mga pisikal na parameter tulad ng TDM, HOMO/LUMO band gap energy at MESP ay kinalkula sa parehong antas ng teorya ng quantum mechanical. Bukod pa rito, ang ilang thermal parameter tulad ng final heat of formation, free energy, entropy, enthalpy at heat capacity ay kinalkula gamit ang mga pormulang ibinigay sa Table 1. Ang mga pinag-aralang modelo ay isinailalim sa quantum theory of atoms in molecules (QTAIM) analysis upang matukoy ang mga interaksyon na nagaganap sa ibabaw ng mga pinag-aralang istruktura. Ang mga kalkulasyong ito ay isinagawa gamit ang utos na “output=wfn” sa Gaussian 09 software code at pagkatapos ay ipinakita gamit ang Avogadro software code43.
Kung saan ang E ay ang panloob na enerhiya, ang P ay ang presyon, ang V ay ang volume, ang Q ay ang palitan ng init sa pagitan ng sistema at ng kapaligiran nito, ang T ay ang temperatura, ang ΔH ay ang pagbabago ng enthalpy, ang ΔG ay ang pagbabago ng malayang enerhiya, ang ΔS ay ang pagbabago ng entropy, ang a at b ay ang mga vibrational parameter, ang q ay ang atomic charge, at ang C ay ang atomic electron density44,45. Panghuli, ang parehong mga istruktura ay na-optimize at ang mga QSAR parameter ay kinalkula sa antas ng PM6 gamit ang SCIGRESS software code46 sa Spectroscopy Department ng National Research Center sa Cairo, Egypt.
Sa aming nakaraang gawain47, sinuri namin ang pinaka-posibleng modelo na naglalarawan sa interaksyon ng tatlong PVA units sa dalawang NaAlg units, kung saan ang glycerol ay gumaganap bilang plasticizer. Gaya ng nabanggit sa itaas, mayroong dalawang posibilidad para sa interaksyon ng PVA at NaAlg. Ang dalawang modelo, na itinalaga bilang 3PVA-2Na Alg (batay sa carbon number 10) at Term 1Na Alg-3PVA-Mid 1Na Alg, ay may pinakamaliit na halaga ng energy gap48 kumpara sa iba pang mga istrukturang isinasaalang-alang. Samakatuwid, ang epekto ng pagdaragdag ng Gly sa pinaka-posibleng modelo ng PVA/Na Alg blend polymer ay siniyasat gamit ang huling dalawang istruktura: 3PVA-(C10)2Na Alg (tinutukoy bilang 3PVA-2Na Alg para sa pagiging simple) at Term 1 Na Alg − 3PVA-Mid 1 Na Alg. Ayon sa literatura, ang PVA, NaAlg at glycerol ay maaari lamang bumuo ng mahihinang hydrogen bonds sa pagitan ng hydroxyl functional groups. Dahil ang parehong PVA trimer at ang NaAlg at glycerol dimer ay naglalaman ng ilang OH group, ang kontak ay maaaring maisakatuparan sa pamamagitan ng isa sa mga OH group. Ipinapakita ng Figure 1 ang interaksyon sa pagitan ng model glycerol molecule at ng model molecule na 3PVA-2NaAlg, at ipinapakita ng Figure 2 ang binuong modelo ng interaksyon sa pagitan ng model molecule na Term 1NaAlg-3PVA-Mid 1NaAlg at iba't ibang konsentrasyon ng glycerol.
Mga na-optimize na istruktura: (a) Ang Gly at 3PVA − 2Na Alg ay nakikipag-ugnayan sa (b) 1 Gly, (c) 2 Gly, (d) 3 Gly, (e) 4 Gly, at (f) 5 Gly.
Mga na-optimize na istruktura ng Term 1Na Alg-3PVA –Mid 1Na Alg na nakikipag-ugnayan sa (a) 1 Gly, (b) 2 Gly, (c) 3 Gly, (d) 4 Gly, (e) 5 Gly, at (f) 6 Gly.
Ang enerhiya ng electron band gap ay isang mahalagang parameter na dapat isaalang-alang kapag pinag-aaralan ang reaktibiti ng anumang materyal na elektrod. Dahil inilalarawan nito ang pag-uugali ng mga electron kapag ang materyal ay sumailalim sa mga panlabas na pagbabago. Samakatuwid, kinakailangang tantyahin ang mga enerhiya ng electron band gap ng HOMO/LUMO para sa lahat ng istrukturang pinag-aralan. Ipinapakita ng Talahanayan 2 ang mga pagbabago sa mga enerhiya ng HOMO/LUMO ng 3PVA-(C10)2Na Alg at Term 1Na Alg − 3PVA-Mid 1Na Alg dahil sa pagdaragdag ng glycerol. Ayon sa ref47, ang halaga ng Eg ng 3PVA-(C10)2Na Alg ay 0.2908 eV, habang ang halaga ng Eg ng istruktura na sumasalamin sa probabilidad ng pangalawang interaksyon (ibig sabihin, Term 1Na Alg − 3PVA-Mid 1Na Alg) ay 0.5706 eV.
Gayunpaman, natuklasan na ang pagdaragdag ng glycerol ay nagresulta sa bahagyang pagbabago sa halaga ng Eg ng 3PVA-(C10)2NaAlg. Nang ang 3PVA-(C10)2NaAlg ay nakipag-ugnayan sa 1, 2, 3, 4 at 5 glycerol units, ang mga halaga ng Eg nito ay naging 0.302, 0.299, 0.308, 0.289 at 0.281 eV, ayon sa pagkakabanggit. Gayunpaman, mayroong mahalagang pananaw na pagkatapos magdagdag ng 3 glycerol units, ang halaga ng Eg ay naging mas maliit kaysa sa 3PVA-(C10)2NaAlg. Ang modelo na kumakatawan sa interaksyon ng 3PVA-(C10)2NaAlg na may limang glycerol units ang pinaka-malamang na modelo ng interaksyon. Nangangahulugan ito na habang tumataas ang bilang ng mga glycerol units, tumataas din ang posibilidad ng interaksyon.
Samantala, para sa pangalawang probabilidad ng interaksyon, ang mga enerhiya ng HOMO/LUMO ng mga molekula ng modelo na kumakatawan sa Term 1Na Alg − 3PVA –Mid 1Na Alg- 1Gly, Term 1Na Alg − 3PVA –Mid 1Na Alg- 2Gly, Term 1Na Alg − 3PVA –Mid 1Na Alg- 3Gly, Term 1Na Alg − 3PVA –Mid 1Na Alg- 4Gly, Term 1Na Alg − 3PVA –Mid 1Na Alg- 5Gly at Term 1Na Alg − 3PVA –Mid 1Na Alg- 6Gly ay magiging 1.343, 1.347, 0.976, 0.607, 0.348 at 0.496 eV, ayon sa pagkakabanggit. Ipinapakita ng Talahanayan 2 ang kinakalkulang mga enerhiya ng HOMO/LUMO band gap para sa lahat ng istruktura. Bukod dito, ang parehong pag-uugali ng mga probabilidad ng interaksyon ng unang grupo ay inuulit dito.
Ang teorya ng banda sa solid state physics ay nagsasaad na habang bumababa ang band gap ng isang materyal na elektrod, tumataas ang electronic conductivity ng materyal. Ang doping ay isang karaniwang pamamaraan upang bawasan ang band gap ng mga materyales na sodium-ion cathode. Ginamit nina Jiang et al. ang Cu doping upang mapabuti ang electronic conductivity ng mga materyales na may patong na β-NaMnO2. Gamit ang mga kalkulasyon ng DFT, natuklasan nila na ang doping ay nagbawas sa band gap ng materyal mula 0.7 eV patungong 0.3 eV. Ipinapahiwatig nito na ang Cu doping ay nagpapabuti sa electronic conductivity ng materyal na β-NaMnO2.
Ang MESP ay binibigyang kahulugan bilang ang enerhiya ng interaksyon sa pagitan ng distribusyon ng molecular charge at isang positibong charge. Ang MESP ay itinuturing na isang epektibong kasangkapan para sa pag-unawa at pagbibigay-kahulugan sa mga katangiang kemikal at reaktibiti. Magagamit ang MESP upang maunawaan ang mga mekanismo ng interaksyon sa pagitan ng mga polymeric na materyales. Inilalarawan ng MESP ang distribusyon ng charge sa loob ng compound na pinag-aaralan. Bilang karagdagan, ang MESP ay nagbibigay ng impormasyon tungkol sa mga aktibong site sa mga materyales na pinag-aaralan32. Ipinapakita ng Figure 3 ang mga MESP plot ng 3PVA-(C10) 2Na Alg, 3PVA-(C10) 2Na Alg − 1Gly, 3PVA-(C10) 2Na Alg − 2Gly, 3PVA-(C10) 2Na Alg − 3Gly, 3PVA-(C10) 2Na Alg − 4Gly, at 3PVA-(C10) 2Na Alg − 5Gly na hinulaang sa antas ng teorya na B3LYP/6-311G(d, p).
Mga kontorno ng MESP na kinalkula gamit ang B3LYP/6-311 g(d, p) para sa (a) Gly at 3PVA − 2Na Alg na nakikipag-ugnayan sa (b) 1 Gly, (c) 2 Gly, (d) 3 Gly, (e) 4 Gly, at (f) 5 Gly.
Samantala, ipinapakita ng Fig. 4 ang mga kinakalkulang resulta ng MESP para sa Term 1Na Alg- 3PVA – Mid 1Na Alg, Term 1Na Alg- 3PVA – Mid 1Na Alg- 1Gly, Term 1Na Alg- 3PVA – Mid 1Na Alg − 2Gly, Term 1Na Alg- 3PVA – Mid 1Na Alg − 3gly, Term 1Na Alg- 3PVA – Mid 1Na Alg − 4Gly, Term 1Na Alg- 3PVA – Mid 1Na Alg- 5gly at Term 1Na Alg- 3PVA – Mid 1Na Alg − 6Gly, ayon sa pagkakabanggit. Ang kinakalkulang MESP ay kinakatawan bilang isang contour behavior. Ang mga contour lines ay kinakatawan ng iba't ibang kulay. Ang bawat kulay ay kumakatawan sa iba't ibang electronegativity value. Ang pulang kulay ay nagpapahiwatig ng mga highly electronegative o reactive sites. Samantala, ang dilaw na kulay ay kumakatawan sa mga neutral sites 49, 50, 51 sa istruktura. Ipinakita ng mga resulta ng MESP na ang reaktibiti ng 3PVA-(C10)2Na Alg ay tumaas kasabay ng pagtaas ng pulang kulay sa paligid ng mga pinag-aralang modelo. Samantala, ang tindi ng pulang kulay sa mapa ng MESP ng molekula ng modelong Term 1Na Alg-3PVA – Mid 1Na Alg ay bumababa dahil sa interaksyon sa iba't ibang nilalaman ng glycerol. Ang pagbabago sa distribusyon ng pulang kulay sa paligid ng iminungkahing istraktura ay sumasalamin sa reaktibiti, habang ang pagtaas ng tindi ay nagpapatunay sa pagtaas ng electronegativity ng molekula ng modelong 3PVA-(C10)2Na Alg dahil sa pagtaas ng nilalaman ng glycerol.
Kinakalkula ng B3LYP/6-311 g(d, p) ang MESP Term ng 1Na Alg-3PVA-Mid 1Na Alg na nakikipag-ugnayan sa (a) 1 Gly, (b) 2 Gly, (c) 3 Gly, (d) 4 Gly, (e) 5 Gly, at (f) 6 Gly.
Ang lahat ng iminungkahing istruktura ay may kani-kanilang mga thermal parameter tulad ng enthalpy, entropy, kapasidad ng init, malayang enerhiya at init ng pormasyon na kinakalkula sa iba't ibang temperatura sa hanay mula 200 K hanggang 500 K. Upang mailarawan ang pag-uugali ng mga pisikal na sistema, bukod sa pag-aaral ng kanilang elektronikong pag-uugali, kinakailangan ding pag-aralan ang kanilang thermal behavior bilang isang function ng temperatura dahil sa kanilang interaksyon sa isa't isa, na maaaring kalkulahin gamit ang mga equation na ibinigay sa Table 1. Ang pag-aaral ng mga thermal parameter na ito ay itinuturing na isang mahalagang tagapagpahiwatig ng kakayahang tumugon at katatagan ng mga naturang pisikal na sistema sa iba't ibang temperatura.
Kung tungkol sa entalpiya ng PVA trimer, una itong tumutugon sa NaAlg dimer, pagkatapos ay sa pamamagitan ng OH group na nakakabit sa carbon atom #10, at sa wakas ay sa glycerol. Ang entalpiya ay isang sukatan ng enerhiya sa isang thermodynamic system. Ang entalpiya ay katumbas ng kabuuang init sa isang sistema, na katumbas ng panloob na enerhiya ng sistema kasama ang produkto ng volume at pressure nito. Sa madaling salita, ipinapakita ng entalpiya kung gaano karaming init at trabaho ang idinagdag o inaalis mula sa isang substansiya52.
Ipinapakita ng Figure 5 ang mga pagbabago sa entalpiya sa panahon ng reaksyon ng 3PVA-(C10)2Na Alg na may iba't ibang konsentrasyon ng gliserol. Ang mga pagpapaikli na A0, A1, A2, A3, A4, at A5 ay kumakatawan sa mga molekulang modelo na 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, at 3PVA-(C10)2Na Alg − 5Gly, ayon sa pagkakabanggit. Ipinapakita ng Figure 5a na tumataas ang entalpiya kasabay ng pagtaas ng temperatura at nilalaman ng gliserol. Ang entalpiya ng istrukturang kumakatawan sa 3PVA-(C10)2NaAlg − 5Gly (ibig sabihin, A5) sa 200 K ay 27.966 cal/mol, habang ang entalpiya ng istrukturang kumakatawan sa 3PVA-2NaAlg sa 200 K ay 13.490 cal/mol. Panghuli, dahil positibo ang entalpiya, ang reaksyong ito ay endothermic.
Ang entropy ay binibigyang kahulugan bilang isang sukatan ng hindi magagamit na enerhiya sa isang saradong sistemang termodinamika at kadalasang itinuturing na sukatan ng kaguluhan ng sistema. Ipinapakita ng Figure 5b ang pagbabago sa entropy ng 3PVA-(C10)2NaAlg kasabay ng temperatura at kung paano ito nakikipag-ugnayan sa iba't ibang yunit ng glycerol. Ipinapakita ng graph na ang entropy ay nagbabago nang linear habang tumataas ang temperatura mula 200 K hanggang 500 K. Malinaw na ipinapakita ng Figure 5b na ang entropy ng modelong 3PVA-(C10)2NaAlg ay may posibilidad na umabot sa 200 cal/K/mol sa 200 K dahil ang modelong 3PVA-(C10)2NaAlg ay nagpapakita ng mas kaunting kaguluhan sa lattice. Habang tumataas ang temperatura, ang modelong 3PVA-(C10)2NaAlg ay nagiging hindi maayos at ipinapaliwanag ang pagtaas ng entropy kasabay ng pagtaas ng temperatura. Bukod dito, malinaw na ang istruktura ng 3PVA-C10 2NaAlg-5Gly ang may pinakamataas na halaga ng entropy.
Ang parehong pag-uugali ay naobserbahan sa Figure 5c, na nagpapakita ng pagbabago sa kapasidad ng init kasabay ng temperatura. Ang kapasidad ng init ay ang dami ng init na kinakailangan upang baguhin ang temperatura ng isang partikular na dami ng substansiya ng 1 °C47. Ipinapakita ng Figure 5c ang mga pagbabago sa kapasidad ng init ng molekula ng modelo na 3PVA-(C10)2NaAlg dahil sa mga interaksyon sa 1, 2, 3, 4, at 5 na mga yunit ng glycerol. Ipinapakita ng figure na ang kapasidad ng init ng modelo na 3PVA-(C10)2NaAlg ay linear na tumataas kasabay ng temperatura. Ang naobserbahang pagtaas sa kapasidad ng init kasabay ng pagtaas ng temperatura ay maiuugnay sa mga thermal vibration ng phonon. Bilang karagdagan, may ebidensya na ang pagtaas ng nilalaman ng glycerol ay humahantong sa pagtaas ng kapasidad ng init ng modelo na 3PVA-(C10)2NaAlg. Bukod pa rito, ipinapakita ng istruktura na ang 3PVA-(C10)2NaAlg−5Gly ay may pinakamataas na halaga ng kapasidad ng init kumpara sa iba pang mga istruktura.
Ang iba pang mga parametro tulad ng malayang enerhiya at panghuling init ng pagbuo ay kinalkula para sa mga pinag-aralang istruktura at ipinapakita sa Figure 5d at e, ayon sa pagkakabanggit. Ang panghuling init ng pagbuo ay ang init na inilabas o hinihigop habang bumubuo ng isang purong sangkap mula sa mga elementong bumubuo nito sa ilalim ng pare-parehong presyon. Ang malayang enerhiya ay maaaring tukuyin bilang isang katangian na katulad ng enerhiya, ibig sabihin, ang halaga nito ay nakadepende sa dami ng sangkap sa bawat estado ng termodinamika. Ang malayang enerhiya at init ng pagbuo ng 3PVA-(C10)2NaAlg−5Gly ang pinakamababa at -1318.338 at -1628.154 kcal/mol, ayon sa pagkakabanggit. Sa kabaligtaran, ang istrukturang kumakatawan sa 3PVA-(C10)2NaAlg ay may pinakamataas na halaga ng malayang enerhiya at init ng pagbuo na -690.340 at -830.673 kcal/mol, ayon sa pagkakabanggit, kumpara sa iba pang mga istruktura. Gaya ng ipinapakita sa Figure 5, iba't ibang thermal properties ang nagbabago dahil sa interaksyon sa glycerol. Ang Gibbs free energy ay negatibo, na nagpapahiwatig na ang iminungkahing istruktura ay matatag.
Kinalkula ng PM6 ang mga thermal parameter ng purong 3PVA- (C10) 2Na Alg (modelo A0), 3PVA- (C10) 2Na Alg − 1 Gly (modelo A1), 3PVA- (C10) 2Na Alg − 2 Gly (modelo A2), 3PVA- (C10) 2Na Alg − 3 Gly (modelo A3), 3PVA- (C10) 2Na Alg − 4 Gly (modelo A4), at 3PVA- (C10) 2Na Alg − 5 Gly (modelo A5), kung saan ang (a) ay ang enthalpy, (b) entropy, (c) heat capacity, (d) free energy, at (e) heat of formation.
Sa kabilang banda, ang pangalawang interaksyon sa pagitan ng PVA trimer at dimeric NaAlg ay nangyayari sa terminal at middle OH groups sa istruktura ng PVA trimer. Tulad ng sa unang grupo, ang mga thermal parameter ay kinalkula gamit ang parehong antas ng teorya. Ipinapakita ng Figure 6a-e ang mga pagkakaiba-iba ng enthalpy, entropy, kapasidad ng init, libreng enerhiya at, sa huli, init ng pagbuo. Ipinapakita ng Figure 6a-c na ang enthalpy, entropy at kapasidad ng init ng Term 1 NaAlg-3PVA-Mid 1 NaAlg ay nagpapakita ng parehong pag-uugali tulad ng unang grupo kapag nakikipag-ugnayan sa 1, 2, 3, 4, 5 at 6 na mga yunit ng glycerol. Bukod dito, ang kanilang mga halaga ay unti-unting tumataas kasabay ng pagtaas ng temperatura. Bilang karagdagan, sa iminungkahing modelo ng Term 1 Na Alg − 3PVA-Mid 1 Na Alg, ang mga halaga ng enthalpy, entropy at kapasidad ng init ay tumaas kasabay ng pagtaas ng nilalaman ng glycerol. Ang mga pagpapaikli na B0, B1, B2, B3, B4, B5 at B6 ay kumakatawan sa mga sumusunod na istruktura ayon sa pagkakabanggit: 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 at Term 1 Na Alg- 3PVA- Mid 1 Na Alg − 6 Gly. Gaya ng ipinapakita sa Fig. 6a–c, malinaw na ang mga halaga ng enthalpy, entropy at heat capacity ay tumataas habang tumataas ang bilang ng mga glycerol unit mula 1 hanggang 6.
Kinakalkula ng PM6 ang mga thermal parameter ng purong Term 1 Na Alg- 3PVA- Mid 1 Na Alg (modelo B0), Term 1 Na Alg- 3PVA- Mid 1 Na Alg – 1 Gly (modelo B1), Term 1 Na Alg- 3PVA- Mid 1 Na Alg – 2 Gly (modelo B2), Term 1 Na Alg- 3PVA- Mid 1 Na Alg – 3 Gly (modelo B3), Term 1 Na Alg- 3PVA- Mid 1 Na Alg – 4 Gly (modelo B4), Term 1 Na Alg- 3PVA- Mid 1 Na Alg – 5 Gly (modelo B5), at Term 1 Na Alg- 3PVA- Mid 1 Na Alg – 6 Gly (modelo B6), kabilang ang (a) entalpiya, (b) entropiya, (c) kapasidad ng init, (d) malayang enerhiya, at (e) init ng pormasyon.
Bukod pa rito, ang istrukturang kumakatawan sa Term 1 Na Alg-3PVA-Mid 1 Na Alg-6 Gly ay may pinakamataas na halaga ng enthalpy, entropy at heat capacity kumpara sa ibang mga istruktura. Sa mga ito, ang kanilang mga halaga ay tumaas mula 16.703 cal/mol, 257.990 cal/mol/K at 131.323 kcal/mol sa Term 1 Na Alg − 3PVA-Mid 1 Na Alg patungong 33.223 cal/mol, 420.038 cal/mol/K at 275.923 kcal/mol sa Term 1 Na Alg − 3PVA-Mid 1 Na Alg − 6 Gly, ayon sa pagkakabanggit.
Gayunpaman, ipinapakita ng mga Larawan 6d at e ang pagdepende sa temperatura ng malayang enerhiya at ng panghuling init ng pagbuo (HF). Ang HF ay maaaring tukuyin bilang ang pagbabago ng enthalpy na nangyayari kapag ang isang mole ng isang sangkap ay nabuo mula sa mga elemento nito sa ilalim ng natural at karaniwang mga kondisyon. Maliwanag mula sa larawan na ang malayang enerhiya at ang panghuling init ng pagbuo ng lahat ng pinag-aralang istruktura ay nagpapakita ng isang linear na pagdepende sa temperatura, ibig sabihin, unti-unti at linear silang tumataas kasabay ng pagtaas ng temperatura. Bukod pa rito, kinumpirma rin ng larawan na ang istrukturang kumakatawan sa Term 1 Na Alg − 3PVA- Mid 1 Na Alg − 6 Gly ay may pinakamababang libreng enerhiya at pinakamababang HF. Ang parehong mga parameter ay bumaba mula -758.337 hanggang -899.741 K cal/mol sa terminong 1 Na Alg − 3PVA- Mid 1 Na Alg − 6 Gly hanggang -1,476.591 at -1,828.523 K cal/mol. Maliwanag mula sa mga resulta na ang HF ay bumababa kasabay ng pagtaas ng mga glycerol unit. Nangangahulugan ito na dahil sa pagtaas ng mga functional group, tumataas din ang reaktibiti at dahil dito ay mas kaunting enerhiya ang kinakailangan upang maisagawa ang reaksyon. Kinukumpirma nito na ang plasticized PVA/NaAlg ay maaaring gamitin sa mga baterya dahil sa mataas na reaktibiti nito.
Sa pangkalahatan, ang mga epekto ng temperatura ay nahahati sa dalawang uri: mga epekto ng mababang temperatura at mga epekto ng mataas na temperatura. Ang mga epekto ng mababang temperatura ay pangunahing nararamdaman sa mga bansang matatagpuan sa matataas na latitude, tulad ng Greenland, Canada, at Russia. Sa taglamig, ang temperatura ng hangin sa labas sa mga lugar na ito ay mas mababa sa zero degrees Celsius. Ang habang-buhay at pagganap ng mga baterya ng lithium-ion ay maaaring maapektuhan ng mababang temperatura, lalo na ang mga ginagamit sa mga plug-in hybrid electric vehicle, purong electric vehicle, at hybrid electric vehicle. Ang paglalakbay sa kalawakan ay isa pang malamig na kapaligiran na nangangailangan ng mga baterya ng lithium-ion. Halimbawa, ang temperatura sa Mars ay maaaring bumaba sa -120 degrees Celsius, na nagdudulot ng isang malaking balakid sa paggamit ng mga baterya ng lithium-ion sa spacecraft. Ang mababang temperatura ng pagpapatakbo ay maaaring humantong sa pagbaba ng charge transfer rate at aktibidad ng kemikal na reaksyon ng mga baterya ng lithium-ion, na nagreresulta sa pagbaba ng diffusion rate ng mga lithium ion sa loob ng electrode at ionic conductivity sa electrolyte. Ang pagkasira na ito ay nagreresulta sa pagbaba ng kapasidad at lakas ng enerhiya, at kung minsan ay nabawasan pa ang pagganap53.
Ang epekto ng mataas na temperatura ay nangyayari sa mas malawak na hanay ng mga kapaligirang aplikasyon, kabilang ang parehong mataas at mababang temperaturang kapaligiran, habang ang epekto ng mababang temperatura ay pangunahing limitado sa mga kapaligirang aplikasyon na mababa ang temperatura. Ang epekto ng mababang temperatura ay pangunahing natutukoy ng temperatura ng paligid, habang ang epekto ng mataas na temperatura ay karaniwang mas tumpak na iniuugnay sa mataas na temperatura sa loob ng bateryang lithium-ion habang ginagamit.
Ang mga bateryang lithium-ion ay nakakabuo ng init sa ilalim ng mga kondisyon ng mataas na kuryente (kabilang ang mabilis na pag-charge at mabilis na pagdiskarga), na nagiging sanhi ng pagtaas ng panloob na temperatura. Ang pagkakalantad sa mataas na temperatura ay maaari ring magdulot ng pagbaba ng pagganap ng baterya, kabilang ang pagkawala ng kapasidad at lakas. Kadalasan, ang pagkawala ng lithium at ang pagbawi ng mga aktibong materyales sa mataas na temperatura ay humahantong sa pagkawala ng kapasidad, at ang pagkawala ng lakas ay dahil sa pagtaas ng panloob na resistensya. Kung ang temperatura ay hindi makontrol, nangyayari ang thermal runaway, na sa ilang mga kaso ay maaaring humantong sa kusang pagkasunog o kahit na pagsabog.
Ang mga kalkulasyon ng QSAR ay isang paraan ng computational o mathematical modeling na ginagamit upang matukoy ang mga ugnayan sa pagitan ng biological activity at mga katangiang istruktural ng mga compound. Ang lahat ng dinisenyong molekula ay na-optimize at ang ilang katangian ng QSAR ay kinalkula sa antas ng PM6. Inililista sa Talahanayan 3 ang ilan sa mga kinalkulang descriptor ng QSAR. Ang mga halimbawa ng mga naturang descriptor ay ang charge, TDM, kabuuang enerhiya (E), ionization potential (IP), Log P, at polarizability (tingnan ang Talahanayan 1 para sa mga formula upang matukoy ang IP at Log P).
Ipinapakita ng mga resulta ng kalkulasyon na ang kabuuang karga ng lahat ng pinag-aralang istruktura ay sero dahil ang mga ito ay nasa ground state. Para sa unang interaction probability, ang TDM ng glycerol ay 2.788 Debye at 6.840 Debye para sa 3PVA-(C10)2NaAlg, habang ang mga halaga ng TDM ay nadagdagan sa 17.990 Debye, 8.848 Debye, 5.874 Debye, 7.568 Debye at 12.779 Debye nang ang 3PVA-(C10)2NaAlg ay nakipag-ugnayan sa 1, 2, 3, 4 at 5 units ng glycerol, ayon sa pagkakabanggit. Kung mas mataas ang halaga ng TDM, mas mataas ang reaktibiti nito sa kapaligiran.
Kinalkula rin ang kabuuang enerhiya (E), at ang mga halaga ng E ng gliserol at 3PVA-(C10)2 NaAlg ay natagpuang -141.833 eV at -200092.503 eV, ayon sa pagkakabanggit. Samantala, ang mga istrukturang kumakatawan sa 3PVA-(C10)2 NaAlg ay nakikipag-ugnayan sa 1, 2, 3, 4 at 5 yunit ng gliserol; ang E ay nagiging -996.837, -1108.440, -1238.740, -1372.075 at -1548.031 eV, ayon sa pagkakabanggit. Ang pagtaas ng nilalaman ng gliserol ay humahantong sa pagbaba ng kabuuang enerhiya at samakatuwid ay sa pagtaas ng reaktibiti. Batay sa pagkalkula ng kabuuang enerhiya, napagpasyahan na ang molekula ng modelo, na 3PVA-2Na Alg-5 Gly, ay mas reaktibo kaysa sa iba pang mga molekula ng modelo. Ang penomenong ito ay nauugnay sa kanilang istruktura. Ang 3PVA-(C10)2NaAlg ay naglalaman lamang ng dalawang grupong -COONa, habang ang iba pang mga istruktura ay naglalaman ng dalawang grupong -COONa ngunit nagtataglay ng ilang grupong OH, na nangangahulugan na ang kanilang reaktibiti sa kapaligiran ay tumataas.
Bukod pa rito, ang mga ionization energies (IE) ng lahat ng istruktura ay isinasaalang-alang sa pag-aaral na ito. Ang ionization energy ay isang mahalagang parameter para sa pagsukat ng reaktibiti ng pinag-aralang modelo. Ang enerhiyang kinakailangan upang ilipat ang isang electron mula sa isang punto ng isang molekula patungo sa kawalang-hanggan ay tinatawag na ionization energy. Kinakatawan nito ang antas ng ionization (ibig sabihin, reaktibiti) ng molekula. Kung mas mataas ang ionization energy, mas mababa ang reaktibiti. Ang mga resulta ng IE ng 3PVA-(C10)2NaAlg na nakikipag-ugnayan sa 1, 2, 3, 4 at 5 glycerol units ay -9.256, -9.393, -9.393, -9.248 at -9.323 eV, ayon sa pagkakabanggit, habang ang IEs ng glycerol at 3PVA-(C10)2NaAlg ay -5.157 at -9.341 eV, ayon sa pagkakabanggit. Dahil ang pagdaragdag ng glycerol ay nagresulta sa pagbaba sa halaga ng IP, tumaas ang molekular na reaktibiti, na nagpapahusay sa kakayahang magamit ng molekula ng modelo ng PVA/NaAlg/glycerol sa mga electrochemical device.
Ang ikalimang deskriptor sa Talahanayan 3 ay ang Log P, na siyang logarithm ng partition coefficient at ginagamit upang ilarawan kung ang istrukturang pinag-aaralan ay hydrophilic o hydrophobic. Ang negatibong halaga ng Log P ay nagpapahiwatig ng isang hydrophilic molecule, ibig sabihin ay madali itong natutunaw sa tubig at hindi gaanong natutunaw sa mga organic solvent. Ang positibong halaga ay nagpapahiwatig ng kabaligtaran na proseso.
Batay sa mga nakuhang resulta, mahihinuha na ang lahat ng istruktura ay hydrophilic, dahil ang kanilang mga Log P value (3PVA-(C10)2Na Alg − 1Gly, 3PVA-(C10)2Na Alg − 2Gly, 3PVA-(C10)2Na Alg − 3Gly, 3PVA-(C10)2Na Alg − 4Gly at 3PVA-(C10)2Na Alg − 5Gly) ay -3.537, -5.261, -6.342, -7.423 at -8.504, ayon sa pagkakabanggit, habang ang Log P value ng glycerol ay -1.081 lamang at ang 3PVA-(C10)2Na Alg ay -3.100 lamang. Nangangahulugan ito na ang mga katangian ng istrukturang pinag-aaralan ay magbabago habang ang mga molekula ng tubig ay isinasama sa istruktura nito.
Panghuli, ang mga polarizability ng lahat ng istruktura ay kinakalkula rin sa antas ng PM6 gamit ang isang semi-empirical na pamamaraan. Nabanggit na noon na ang polarizability ng karamihan sa mga materyales ay nakasalalay sa iba't ibang mga salik. Ang pinakamahalagang salik ay ang volume ng istrukturang pinag-aaralan. Para sa lahat ng istrukturang kinasasangkutan ng unang uri ng interaksyon sa pagitan ng 3PVA at 2NaAlg (ang interaksyon ay nangyayari sa pamamagitan ng carbon atom number 10), ang polarizability ay pinabubuti sa pamamagitan ng pagdaragdag ng glycerol. Ang polarizability ay tumataas mula 29.690 Å hanggang 35.076, 40.665, 45.177, 50.239 at 54.638 Å dahil sa mga interaksyon sa 1, 2, 3, 4 at 5 glycerol units. Kaya, natuklasan na ang molekula ng modelo na may pinakamataas na polarizability ay 3PVA-(C10)2NaAlg−5Gly, habang ang molekula ng modelo na may pinakamababang polarizability ay 3PVA-(C10)2NaAlg, na 29.690 Å.
Ipinakita ng pagsusuri ng mga deskriptor ng QSAR na ang istrukturang kumakatawan sa 3PVA-(C10)2NaAlg − 5Gly ang pinaka-reaktibo para sa unang iminungkahing interaksyon.
Para sa pangalawang interaksyon sa pagitan ng PVA trimer at ng NaAlg dimer, ipinapakita ng mga resulta na ang kanilang mga karga ay katulad ng mga iminungkahi sa nakaraang seksyon para sa unang interaksyon. Lahat ng istruktura ay may zero electronic charge, na nangangahulugang lahat sila ay nasa ground state.
Gaya ng ipinapakita sa Talahanayan 4, ang mga halaga ng TDM (kinakalkula sa antas ng PM6) ng Term 1 Na Alg − 3PVA-Mid 1 Na Alg ay tumaas mula 11.581 Debye patungong 15.756, 19.720, 21.756, 22.732, 15.507, at 15.756 nang ang Term 1 Na Alg − 3PVA-Mid 1 Na Alg ay nakipag-react sa 1, 2, 3, 4, 5, at 6 na yunit ng gliserol. Gayunpaman, ang kabuuang enerhiya ay bumababa kasabay ng pagtaas ng bilang ng mga yunit ng glycerol, at kapag ang Term 1 Na Alg − 3PVA- Mid 1 Na Alg ay nakikipag-ugnayan sa isang tiyak na bilang ng mga yunit ng glycerol (1 hanggang 6), ang kabuuang enerhiya ay − 996.985, − 1129.013, − 1267.211, − 1321.775, − 1418.964, at − 1637.432 eV, ayon sa pagkakabanggit.
Para sa pangalawang probabilidad ng interaksyon, ang IP, Log P at polarizability ay kinalkula rin sa antas ng teorya ng PM6. Samakatuwid, isinaalang-alang nila ang tatlong pinakamalakas na deskriptor ng molekular na reaktibiti. Para sa mga istrukturang kumakatawan sa End 1 Na Alg-3PVA-Mid 1 Na Alg na nakikipag-ugnayan sa 1, 2, 3, 4, 5 at 6 na mga yunit ng glycerol, ang IP ay tumataas mula −9.385 eV hanggang −8.946, −8.848, −8.430, −9.537, −7.997 at −8.900 eV. Gayunpaman, ang nakalkulang halaga ng Log P ay mas mababa dahil sa plasticization ng End 1 Na Alg-3PVA-Mid 1 Na Alg na may glycerol. Habang tumataas ang nilalaman ng glycerol mula 1 hanggang 6, ang mga halaga nito ay nagiging -5.334, -6.415, -7.496, -9.096, -9.861 at -10.53 sa halip na -3.643. Panghuli, ipinakita ng datos ng polarizability na ang pagtaas ng nilalaman ng glycerol ay nagresulta sa pagtaas ng polarizability ng Term 1 Na Alg-3PVA-Mid 1 Na Alg. Ang polarizability ng molekula ng modelo na Term 1 Na Alg-3PVA-Mid 1 Na Alg ay tumaas mula 31.703 Å hanggang 63.198 Å pagkatapos ng interaksyon sa 6 na yunit ng glycerol. Mahalagang tandaan na ang pagtaas ng bilang ng mga yunit ng glycerol sa pangalawang probabilidad ng interaksyon ay isinasagawa upang kumpirmahin na sa kabila ng malaking bilang ng mga atomo at kumplikadong istraktura, ang pagganap ay bumubuti pa rin sa pagtaas ng nilalaman ng glycerol. Kaya naman, masasabing ang magagamit na modelo ng PVA/Na Alg/glycerin ay maaaring bahagyang pumalit sa mga bateryang lithium-ion, ngunit kailangan pa ng mas maraming pananaliksik at pag-unlad.
Ang paglalarawan sa kapasidad ng pagbubuklod ng isang ibabaw sa isang adsorbate at pagsusuri sa mga natatanging interaksyon sa pagitan ng mga sistema ay nangangailangan ng kaalaman sa uri ng bond na umiiral sa pagitan ng anumang dalawang atomo, ang pagiging kumplikado ng intermolecular at intramolecular na interaksyon, at ang distribusyon ng electron density ng ibabaw at ng adsorbent. Ang electron density sa bond critical point (BCP) sa pagitan ng mga nakikipag-ugnayang atomo ay kritikal para sa pagtatasa ng lakas ng bond sa QTAIM analysis. Kung mas mataas ang electron charge density, mas matatag ang covalent interaction at, sa pangkalahatan, mas mataas ang electron density sa mga kritikal na puntong ito. Bukod dito, kung ang parehong total electron energy density (H(r)) at ang Laplace charge density (∇2ρ(r)) ay mas mababa sa 0, ipinapahiwatig nito ang pagkakaroon ng covalent (pangkalahatang) interaksyon. Sa kabilang banda, kapag ang ∇2ρ(r) at H(r) ay mas malaki sa 0.54, ipinapahiwatig nito ang pagkakaroon ng mga non-covalent (closed shell) interaction tulad ng mga mahinang hydrogen bond, van der Waals forces at electrostatic interaction. Ipinakita ng pagsusuring QTAIM ang katangian ng mga interaksyong hindi covalent sa mga pinag-aralang istruktura gaya ng ipinapakita sa Mga Larawan 7 at 8. Batay sa pagsusuri, ang mga molekula ng modelo na kumakatawan sa 3PVA − 2Na Alg at Term 1 Na Alg − 3PVA –Mid 1 Na Alg ay nagpakita ng mas mataas na katatagan kaysa sa mga molekula na nakikipag-ugnayan sa iba't ibang yunit ng glycine. Ito ay dahil ang ilang mga interaksyong hindi covalent na mas laganap sa istruktura ng alginate tulad ng mga electrostatic interaction at hydrogen bond ay nagbibigay-daan sa alginate na patatagin ang mga composite. Bukod pa rito, ipinapakita ng aming mga resulta ang kahalagahan ng mga interaksyong hindi covalent sa pagitan ng mga molekula ng modelo na 3PVA − 2Na Alg at Term 1 Na Alg − 3PVA –Mid 1 Na Alg at glycine, na nagpapahiwatig na ang glycine ay gumaganap ng mahalagang papel sa pagbabago ng pangkalahatang elektronikong kapaligiran ng mga composite.
Pagsusuring QTAIM ng molekulang modelo na 3PVA − 2NaAlg na nakikipag-ugnayan sa (a) 0 Gly, (b) 1 Gly, (c) 2 Gly, (d) 3 Gly, (e) 4 Gly, at (f) 5Gly.