Matur nuwun sampun ngunjungi nature.com. Versi browser sing sampeyan gunakake nduweni dhukungan CSS sing winates. Kanggo pengalaman sing paling apik, disaranake nggunakake versi browser paling anyar (utawa mateni mode kompatibilitas ing Internet Explorer). Kajaba iku, kanggo njamin dhukungan sing terus-terusan, situs iki ora bakal kalebu gaya utawa JavaScript.
Amarga sumber daya natrium sing akeh, baterei ion natrium (NIB) minangka solusi alternatif sing njanjeni kanggo panyimpenan energi elektrokimia. Saiki, alangan utama ing pangembangan teknologi NIB yaiku kekurangan bahan elektroda sing bisa nyimpen/ngeculake ion natrium kanthi reversibel sajrone wektu sing suwe. Mulane, tujuan saka panliten iki yaiku kanggo nyelidiki sacara teoritis efek tambahan gliserol ing campuran polivinil alkohol (PVA) lan natrium alginat (NaAlg) minangka bahan elektroda NIB. Panliten iki fokus ing deskriptor hubungan struktur-aktivitas elektronik, termal, lan kuantitatif (QSAR) saka elektrolit polimer adhedhasar campuran PVA, natrium alginat, lan gliserol. Sifat-sifat kasebut diselidiki nggunakake metode semi-empiris lan teori fungsional kapadhetan (DFT). Amarga analisis struktural mbukak rincian interaksi antarane PVA/alginat lan gliserol, energi celah pita (Eg) diselidiki. Asil kasebut nuduhake yen tambahan gliserol nyebabake penurunan nilai Eg dadi 0,2814 eV. Permukaan potensial elektrostatik molekuler (MESP) nuduhake distribusi wilayah sing sugih elektron lan miskin elektron lan muatan molekuler ing kabeh sistem elektrolit. Parameter termal sing ditliti kalebu entalpi (H), entropi (ΔS), kapasitas panas (Cp), energi bebas Gibbs (G) lan panas pembentukan. Kajaba iku, sawetara deskriptor hubungan struktur-aktivitas kuantitatif (QSAR) kayata momen dipol total (TDM), energi total (E), potensial ionisasi (IP), Log P lan polarisabilitas diselidiki ing panliten iki. Asil kasebut nuduhake yen H, ΔS, Cp, G lan TDM mundhak kanthi nambah suhu lan kandungan gliserol. Sauntara kuwi, panas pembentukan, IP lan E mudhun, sing ningkatake reaktivitas lan polarisabilitas. Kajaba iku, kanthi nambahake gliserol, voltase sel mundhak dadi 2,488 V. Pitungan DFT lan PM6 adhedhasar elektrolit berbasis gliserol PVA/Na Alg sing efektif biaya nuduhake yen dheweke bisa ngganti sebagian baterei lithium-ion amarga multifungsi, nanging perbaikan lan riset luwih lanjut dibutuhake.
Senajan baterei lithium-ion (LIB) digunakake sacara wiyar, aplikasi kasebut ngadhepi akeh watesan amarga umur siklus sing cendhak, biaya sing dhuwur, lan masalah keamanan. Baterai natrium-ion (SIB) bisa dadi alternatif sing layak kanggo LIB amarga kasedhiyan sing akeh, biaya sing murah, lan ora beracun saka unsur natrium. Baterai natrium-ion (SIB) dadi sistem panyimpenan energi sing saya penting kanggo piranti elektrokimia1. Baterai natrium-ion gumantung banget marang elektrolit kanggo nggampangake transportasi ion lan ngasilake arus listrik2,3. Elektrolit cair utamane kasusun saka uyah logam lan pelarut organik. Aplikasi praktis mbutuhake pertimbangan sing ati-ati babagan keamanan elektrolit cair, utamane nalika baterei kena tekanan termal utawa listrik4.
Baterei sodium-ion (SIB) diarepake bakal ngganti batere lithium-ion ing mangsa ngarep amarga cadangan samudra sing akeh, ora beracun, lan biaya bahan sing murah. Sintesis nanomaterial wis nyepetake pangembangan panyimpenan data, piranti elektronik, lan optik. Akeh literatur sing wis nduduhake aplikasi macem-macem nanostruktur (kayata, oksida logam, graphene, nanotube, lan fullerene) ing batere sodium-ion. Riset wis fokus ing pangembangan bahan anoda, kalebu polimer, kanggo batere sodium-ion amarga fleksibilitas lan ramah lingkungan. Minat riset ing bidang batere polimer sing bisa diisi ulang mesthi bakal tambah. Bahan elektroda polimer anyar kanthi struktur lan sifat unik cenderung mbukak dalan kanggo teknologi panyimpenan energi sing ramah lingkungan. Sanajan macem-macem bahan elektroda polimer wis dieksplorasi kanggo digunakake ing batere sodium-ion, bidang iki isih ana ing tahap awal pangembangan. Kanggo batere sodium-ion, luwih akeh bahan polimer kanthi konfigurasi struktural sing beda-beda kudu dieksplorasi. Adhedhasar kawruh kita saiki babagan mekanisme panyimpenan ion natrium ing bahan elektroda polimer, bisa dihipotesisake manawa gugus karbonil, radikal bebas, lan heteroatom ing sistem konjugasi bisa dadi situs aktif kanggo interaksi karo ion natrium. Mulane, penting banget kanggo ngembangake polimer anyar kanthi kapadhetan situs aktif iki sing dhuwur. Elektrolit polimer gel (GPE) minangka teknologi alternatif sing ningkatake keandalan baterei, konduktivitas ion, ora ana bocor, fleksibilitas sing dhuwur, lan kinerja sing apik12.
Matriks polimer kalebu bahan kayata PVA lan polietilen oksida (PEO)13. Polimer permeabel gel (GPE) ngimobilisasi elektrolit cair ing matriks polimer, sing nyuda risiko bocor dibandhingake karo separator komersial14. PVA minangka polimer biodegradable sintetis. Nduweni permitivitas sing dhuwur, murah lan ora beracun. Bahan iki dikenal amarga sifat mbentuk film, stabilitas kimia lan adhesi. Uga nduweni gugus fungsional (OH) lan kapadhetan potensial cross-linking sing dhuwur15,16,17. Pencampuran polimer, tambahan plasticizer, tambahan komposit lan teknik polimerisasi in situ wis digunakake kanggo nambah konduktivitas elektrolit polimer berbasis PVA kanggo nyuda kristalinitas matriks lan nambah fleksibilitas rantai18,19,20.
Pencampuran minangka metode penting kanggo ngembangake bahan polimer kanggo aplikasi industri. Campuran polimer asring digunakake kanggo: (1) ningkatake sifat pangolahan polimer alami ing aplikasi industri; (2) ningkatake sifat kimia, fisik, lan mekanik bahan sing bisa diurai sacara biologis; lan (3) adaptasi karo panjaluk bahan anyar sing cepet owah ing industri kemasan panganan. Ora kaya kopolimerisasi, pencampuran polimer minangka proses biaya murah sing nggunakake proses fisik sing prasaja tinimbang proses kimia sing kompleks kanggo entuk sifat sing dikarepake21. Kanggo mbentuk homopolimer, polimer sing beda bisa berinteraksi liwat gaya dipol-dipol, ikatan hidrogen, utawa kompleks transfer muatan22,23. Campuran sing digawe saka polimer alami lan sintetis bisa nggabungake biokompatibilitas sing apik karo sifat mekanik sing apik banget, nggawe bahan sing unggul kanthi biaya produksi sing murah24,25. Mulane, ana minat sing gedhe kanggo nggawe bahan polimer biorelevan kanthi nyampur polimer sintetis lan alami. PVA bisa digabungake karo natrium alginat (NaAlg), selulosa, kitosan lan pati26.
Natrium alginat iku polimer alami lan polisakarida anionik sing diekstrak saka ganggang coklat laut. Natrium alginat kasusun saka asam D-manuronat (M) sing disambung karo β-(1-4) lan asam L-guluronat (G) sing disambung karo α-(1-4) sing diatur dadi bentuk homopolimer (poli-M lan poli-G) lan blok heteropolimer (MG utawa GM)27. Isi lan rasio relatif blok M lan G nduweni pengaruh sing signifikan marang sifat kimia lan fisik alginat28,29. Natrium alginat digunakake lan ditliti kanthi wiyar amarga biodegradabilitas, biokompatibilitas, biaya murah, sifat pembentuk film sing apik, lan ora beracun. Nanging, akeh gugus hidroksil (OH) lan karboksilat (COO) bebas ing rantai alginat ndadekake alginat hidrofilik banget. Nanging, alginat nduweni sifat mekanik sing kurang amarga kerapuhan lan kaku. Mulane, alginat bisa digabungake karo bahan sintetis liyane kanggo ningkatake sensitivitas banyu lan sifat mekanik30,31.
Sadurunge ngrancang bahan elektroda anyar, pitungan DFT asring digunakake kanggo ngevaluasi kelayakan fabrikasi bahan anyar. Kajaba iku, para ilmuwan nggunakake pemodelan molekuler kanggo ngonfirmasi lan prédhiksi asil eksperimen, ngirit wektu, nyuda limbah kimia, lan prédhiksi prilaku interaksi32. Pemodelan molekuler wis dadi cabang ilmu sing kuat lan penting ing pirang-pirang bidang, kalebu ilmu material, nanomaterial, kimia komputasi, lan panemuan obat33,34. Nggunakake program pemodelan, para ilmuwan bisa langsung entuk data molekuler, kalebu energi (panas pembentukan, potensial ionisasi, energi aktivasi, lsp.) lan geometri (sudut ikatan, dawa ikatan, lan sudut torsi)35. Kajaba iku, sifat elektronik (muatan, energi celah pita HOMO lan LUMO, afinitas elektron), sifat spektral (mode getaran karakteristik lan intensitas kayata spektrum FTIR), lan sifat massal (volume, difusi, viskositas, modulus, lsp.)36 bisa diitung.
LiNiPO4 nuduhake kaluwihan potensial nalika saingan karo bahan elektroda positif baterei lithium-ion amarga kapadhetan energi sing dhuwur (tegangan kerja udakara 5,1 V). Kanggo ngoptimalake kauntungan LiNiPO4 ing wilayah tegangan dhuwur, tegangan kerja kudu dikurangi amarga elektrolit tegangan dhuwur sing dikembangake saiki mung bisa tetep relatif stabil ing tegangan ing ngisor 4,8 V. Zhang et al. nyelidiki doping kabeh logam transisi 3d, 4d, lan 5d ing situs Ni LiNiPO4, milih pola doping kanthi kinerja elektrokimia sing apik banget, lan nyetel tegangan kerja LiNiPO4 nalika njaga stabilitas relatif kinerja elektrokimia. Tegangan kerja paling endhek sing dipikolehi yaiku 4,21, 3,76, lan 3,5037 kanggo LiNiPO4 sing didoping Ti, Nb, lan Ta.
Mulane, tujuan saka panliten iki yaiku kanggo nyelidiki sacara teoritis efek gliserol minangka plasticizer ing sifat elektronik, deskriptor QSAR lan sifat termal sistem PVA/NaAlg nggunakake perhitungan mekanika kuantum kanggo aplikasine ing baterei ion-ion sing bisa diisi ulang. Interaksi molekuler antarane model PVA/NaAlg lan gliserol dianalisis nggunakake teori molekul atom kuantum Bader (QTAIM).
Model molekul sing makili interaksi PVA karo NaAlg banjur karo gliserol dioptimalake nggunakake DFT. Model kasebut diitung nggunakake piranti lunak Gaussian 0938 ing Departemen Spektroskopi, Pusat Riset Nasional, Kairo, Mesir. Model kasebut dioptimalake nggunakake DFT ing level B3LYP/6-311G(d, p)39,40,41,42. Kanggo verifikasi interaksi antarane model sing ditliti, studi frekuensi sing ditindakake ing tingkat teori sing padha nduduhake stabilitas geometri sing dioptimalake. Anane frekuensi negatif ing antarane kabeh frekuensi sing dievaluasi nyoroti struktur sing disimpulake ing minima positif sejati ing permukaan energi potensial. Parameter fisik kayata TDM, energi celah pita HOMO/LUMO lan MESP diitung ing tingkat teori mekanika kuantum sing padha. Kajaba iku, sawetara parameter termal kayata panas pembentukan pungkasan, energi bebas, entropi, entalpi lan kapasitas panas diitung nggunakake rumus sing diwenehake ing Tabel 1. Model sing ditliti ditindakake analisis teori kuantum atom ing molekul (QTAIM) kanggo ngenali interaksi sing kedadeyan ing permukaan struktur sing ditliti. Pitungan kasebut ditindakake nggunakake printah "output=wfn" ing kode piranti lunak Gaussian 09 banjur divisualisasikake nggunakake kode piranti lunak Avogadro43.
Ing ngendi E minangka energi internal, P minangka tekanan, V minangka volume, Q minangka ijol-ijolan panas antarane sistem lan lingkungane, T minangka suhu, ΔH minangka owah-owahan entalpi, ΔG minangka owah-owahan energi bebas, ΔS minangka owah-owahan entropi, a lan b minangka parameter getaran, q minangka muatan atom, lan C minangka kapadhetan elektron atom44,45. Pungkasan, struktur sing padha dioptimalake lan parameter QSAR diitung ing tingkat PM6 nggunakake kode piranti lunak SCIGRESS46 ing Departemen Spektroskopi Pusat Riset Nasional ing Kairo, Mesir.
Ing karya sadurunge47, kita ngevaluasi model sing paling mungkin sing nggambarake interaksi telung unit PVA karo rong unit NaAlg, kanthi gliserol tumindak minangka plasticizer. Kaya sing wis kasebut ing ndhuwur, ana rong kemungkinan kanggo interaksi PVA lan NaAlg. Rong model kasebut, sing diarani 3PVA-2Na Alg (adhedhasar nomer karbon 10) lan Term 1Na Alg-3PVA-Mid 1Na Alg, duwe nilai celah energi paling cilik48 dibandhingake karo struktur liyane sing dianggep. Mulane, efek tambahan Gly ing model polimer campuran PVA/Na Alg sing paling mungkin diselidiki nggunakake rong struktur terakhir: 3PVA-(C10)2Na Alg (diarani 3PVA-2Na Alg kanggo kesederhanaan) lan Term 1 Na Alg − 3PVA-Mid 1 Na Alg. Miturut literatur, PVA, NaAlg lan gliserol mung bisa mbentuk ikatan hidrogen sing lemah antarane gugus fungsi hidroksil. Amarga trimer PVA lan dimer NaAlg lan gliserol ngandhut sawetara gugus OH, kontak kasebut bisa diwujudake liwat salah sawijining gugus OH. Gambar 1 nuduhake interaksi antarane molekul gliserol model lan molekul model 3PVA-2NaAlg, lan Gambar 2 nuduhake model interaksi sing dibangun antarane molekul model Term 1NaAlg-3PVA-Mid 1NaAlg lan konsentrasi gliserol sing beda-beda.
Struktur sing dioptimalake: (a) Gly lan 3PVA − 2Na Alg berinteraksi karo (b) 1 Gly, (c) 2 Gly, (d) 3 Gly, (e) 4 Gly, lan (f) 5 Gly.
Struktur Term 1Na Alg-3PVA –Mid 1Na Alg sing dioptimalake berinteraksi karo (a) 1 Gly, (b) 2 Gly, (c) 3 Gly, (d) 4 Gly, (e) 5 Gly, lan (f) 6 Gly.
Energi celah pita elektron minangka parameter penting sing kudu ditimbang nalika nyinaoni reaktivitas materi elektroda apa wae. Amarga nggambarake prilaku elektron nalika materi kasebut kena owah-owahan eksternal. Mulane, perlu kanggo ngira-ngira energi celah pita elektron HOMO/LUMO kanggo kabeh struktur sing ditliti. Tabel 2 nuduhake owah-owahan energi HOMO/LUMO saka 3PVA-(C10)2Na Alg lan Term 1Na Alg − 3PVA- Mid 1Na Alg amarga tambahan gliserol. Miturut ref47, nilai Eg saka 3PVA-(C10)2Na Alg yaiku 0,2908 eV, dene nilai Eg saka struktur sing nggambarake kemungkinan interaksi kapindho (yaiku, Term 1Na Alg − 3PVA- Mid 1Na Alg) yaiku 0,5706 eV.
Nanging, ditemokake yen tambahan gliserol nyebabake owah-owahan cilik ing nilai Eg saka 3PVA-(C10)2NaAlg. Nalika 3PVA-(C10)2NaAlg berinteraksi karo 1, 2, 3, 4 lan 5 unit gliserol, nilai Eg-e dadi 0,302, 0,299, 0,308, 0,289 lan 0,281 eV. Nanging, ana wawasan sing penting yen sawise nambahake 3 unit gliserol, nilai Eg dadi luwih cilik tinimbang 3PVA-(C10)2NaAlg. Model sing makili interaksi 3PVA-(C10)2NaAlg karo limang unit gliserol minangka model interaksi sing paling mungkin. Iki tegese nalika jumlah unit gliserol mundhak, kemungkinan interaksi uga mundhak.
Sauntara kuwi, kanggo probabilitas interaksi kapindho, energi HOMO/LUMO saka molekul model sing makili 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 lan Term 1Na Alg − 3PVA –Mid 1Na Alg- 6Gly dadi 1,343, 1,347, 0,976, 0,607, 0,348 lan 0,496 eV. Tabel 2 nuduhake energi celah pita HOMO/LUMO sing diitung kanggo kabeh struktur. Kajaba iku, prilaku probabilitas interaksi sing padha saka klompok pisanan diulang ing kene.
Teori pita ing fisika kahanan padat nyatakake yen nalika celah pita bahan elektroda mudhun, konduktivitas elektronik bahan kasebut mundhak. Doping minangka cara umum kanggo nyuda celah pita bahan katoda ion natrium. Jiang et al. nggunakake doping Cu kanggo ningkatake konduktivitas elektronik bahan berlapis β-NaMnO2. Nggunakake perhitungan DFT, dheweke nemokake yen doping nyuda celah pita bahan saka 0,7 eV dadi 0,3 eV. Iki nuduhake yen doping Cu ningkatake konduktivitas elektronik bahan β-NaMnO2.
MESP ditegesake minangka energi interaksi antarane distribusi muatan molekul lan muatan positif tunggal. MESP dianggep minangka alat sing efektif kanggo mangerteni lan napsirake sifat kimia lan reaktivitas. MESP bisa digunakake kanggo mangerteni mekanisme interaksi antarane bahan polimer. MESP nggambarake distribusi muatan ing senyawa sing ditliti. Kajaba iku, MESP nyedhiyakake informasi babagan situs aktif ing bahan sing ditliti32. Gambar 3 nuduhake plot MESP saka 3PVA-(C10) 2Na Alg, 3PVA-(C10) 2Na Alg − 1Gly, 3PVA-(C10) 2Na Alg − 2Gly, 3PVA-(C10) 2Na Alg − 3Gly, 3PVA-(C10) 2Na Alg − 4Gly, lan 3PVA-(C10) 2Na Alg − 5Gly sing diprediksi ing tingkat teori B3LYP/6-311G(d, p).
Kontur MESP sing diitung nganggo B3LYP/6-311 g(d, p) kanggo (a) Gly lan 3PVA − 2Na Alg sing berinteraksi karo (b) 1 Gly, (c) 2 Gly, (d) 3 Gly, (e) 4 Gly, lan (f) 5 Gly.
Sauntara kuwi, Gambar 4 nuduhake asil MESP sing diitung kanggo 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 lan Term 1Na Alg- 3PVA – Mid 1Na Alg − 6Gly. MESP sing diitung diwakili minangka prilaku kontur. Garis kontur diwakili dening warna sing beda-beda. Saben warna nggambarake nilai keelektronegatifan sing beda-beda. Warna abang nuduhake situs sing elektronegatif banget utawa reaktif. Sauntara kuwi, warna kuning nggambarake situs netral 49, 50, 51 ing struktur kasebut. Asil MESP nuduhake yen reaktivitas 3PVA-(C10)2Na Alg mundhak kanthi mundhake warna abang ing sekitar model sing ditliti. Sauntara kuwi, intensitas warna abang ing peta MESP saka molekul model Term 1Na Alg-3PVA – Mid 1Na Alg mudhun amarga interaksi karo kandungan gliserol sing beda. Owah-owahan ing distribusi warna abang ing sekitar struktur sing diusulake nuduhake reaktivitas, dene paningkatan intensitas ngonfirmasi paningkatan elektronegativitas molekul model 3PVA-(C10)2Na Alg amarga mundhake kandungan gliserol.
B3LYP/6-311 g(d, p) sing diitung nganggo Istilah MESP saka 1Na Alg-3PVA-Mid 1Na Alg sing berinteraksi karo (a) 1 Gly, (b) 2 Gly, (c) 3 Gly, (d) 4 Gly, (e) 5 Gly, lan (f) 6 Gly.
Kabeh struktur sing diusulake duwe parameter termal kayata entalpi, entropi, kapasitas panas, energi bebas lan panas pembentukan sing diitung ing suhu sing beda-beda ing kisaran saka 200 K nganti 500 K. Kanggo njlèntrèhaké prilaku sistem fisik, saliyane nyinaoni prilaku elektronik, uga perlu nyinaoni prilaku termal minangka fungsi suhu amarga interaksi karo siji liyane, sing bisa diitung nggunakake persamaan sing diwenehake ing Tabel 1. Panliten babagan parameter termal iki dianggep minangka indikator penting babagan responsif lan stabilitas sistem fisik kasebut ing suhu sing beda-beda.
Dene entalpi trimer PVA, pisanan reaksi karo dimer NaAlg, banjur liwat gugus OH sing kaiket karo atom karbon #10, lan pungkasane karo gliserol. Entalpi minangka ukuran energi ing sistem termodinamika. Entalpi padha karo total panas ing sistem, sing padha karo energi internal sistem ditambah produk volume lan tekanane. Kanthi tembung liya, entalpi nuduhake sepira panas lan kerja sing ditambahake utawa dicopot saka zat52.
Gambar 5 nuduhake owah-owahan entalpi sajrone reaksi 3PVA-(C10)2Na Alg kanthi konsentrasi gliserol sing beda-beda. Singkatan A0, A1, A2, A3, A4, lan A5 makili molekul model 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, lan 3PVA-(C10)2Na Alg − 5Gly. Gambar 5a nuduhake yen entalpi mundhak kanthi mundhake suhu lan kandungan gliserol. Entalpi struktur sing makili 3PVA-(C10)2NaAlg − 5Gly (yaiku, A5) ing 200 K yaiku 27,966 kal/mol, dene entalpi struktur sing makili 3PVA-2NaAlg ing 200 K yaiku 13,490 kal/mol. Pungkasan, amarga entalpi positif, reaksi iki endotermik.
Entropi ditegesake minangka ukuran energi sing ora kasedhiya ing sistem termodinamika tertutup lan asring dianggep minangka ukuran kelainan sistem kasebut. Gambar 5b nuduhake owah-owahan entropi 3PVA-(C10)2NaAlg karo suhu lan kepiye interaksi karo unit gliserol sing beda. Grafik kasebut nuduhake yen entropi owah kanthi linier nalika suhu mundhak saka 200 K dadi 500 K. Gambar 5b kanthi jelas nuduhake yen entropi model 3PVA-(C10)2NaAlg cenderung 200 kal/K/mol ing 200 K amarga model 3PVA-(C10)2NaAlg nuduhake kelainan kisi sing luwih sithik. Nalika suhu mundhak, model 3PVA-(C10)2NaAlg dadi ora teratur lan nerangake kenaikan entropi kanthi suhu mundhak. Kajaba iku, jelas yen struktur 3PVA-C10 2NaAlg-5Gly duwe nilai entropi paling dhuwur.
Prilaku sing padha diamati ing Gambar 5c, sing nuduhake owah-owahan kapasitas panas karo suhu. Kapasitas panas yaiku jumlah panas sing dibutuhake kanggo ngganti suhu jumlah zat tartamtu kanthi 1 °C47. Gambar 5c nuduhake owah-owahan kapasitas panas molekul model 3PVA-(C10)2NaAlg amarga interaksi karo unit 1, 2, 3, 4, lan 5 gliserol. Gambar kasebut nuduhake yen kapasitas panas model 3PVA-(C10)2NaAlg mundhak kanthi linier karo suhu. Peningkatan kapasitas panas sing diamati karo suhu sing mundhak disebabake getaran termal fonon. Kajaba iku, ana bukti yen nambah kandungan gliserol nyebabake peningkatan kapasitas panas model 3PVA-(C10)2NaAlg. Salajengipun, struktur kasebut nuduhake yen 3PVA-(C10)2NaAlg−5Gly duwe nilai kapasitas panas paling dhuwur dibandhingake karo struktur liyane.
Parameter liyane kayata energi bebas lan panas pembentukan pungkasan diitung kanggo struktur sing ditliti lan dituduhake ing Gambar 5d lan e. Panas pembentukan pungkasan yaiku panas sing dibebasake utawa diserep sajrone pembentukan zat murni saka unsur-unsur penyusunnya ing tekanan konstan. Energi bebas bisa ditegesake minangka sifat sing padha karo energi, yaiku, nilaine gumantung saka jumlah zat ing saben kahanan termodinamika. Energi bebas lan panas pembentukan 3PVA-(C10)2NaAlg−5Gly minangka sing paling endhek lan masing-masing yaiku -1318,338 lan -1628,154 kkal/mol. Kosok baline, struktur sing makili 3PVA-(C10)2NaAlg nduweni nilai energi bebas lan panas pembentukan paling dhuwur yaiku -690,340 lan -830,673 kkal/mol, dibandhingake karo struktur liyane. Kaya sing dituduhake ing Gambar 5, macem-macem sifat termal diganti amarga interaksi karo gliserol. Energi bebas Gibbs negatif, nuduhake yen struktur sing diusulake stabil.
PM6 ngetung parameter termal saka 3PVA- (C10) 2Na Alg murni (model A0), 3PVA- (C10) 2Na Alg − 1 Gly (model A1), 3PVA- (C10) 2Na Alg − 2 Gly (model A2), 3PVA- (C10) 2Na Alg − 3 Gly (model A3), 3PVA- (C10) 2Na Alg − 4 Gly (model A4), lan 3PVA- (C10) 2Na Alg − 5 Gly (model A5), ing ngendi (a) minangka entalpi, (b) entropi, (c) kapasitas panas, (d) energi bebas, lan (e) panas pembentukan.
Ing sisih liya, mode interaksi kapindho antarane trimer PVA lan NaAlg dimerik kedadeyan ing gugus OH terminal lan tengah ing struktur trimer PVA. Kaya ing gugus pisanan, parameter termal diitung nggunakake tingkat teori sing padha. Gambar 6a-e nuduhake variasi entalpi, entropi, kapasitas panas, energi bebas lan, pungkasane, panas pembentukan. Gambar 6a-c nuduhake yen entalpi, entropi lan kapasitas panas saka Term 1 NaAlg-3PVA-Mid 1 NaAlg nuduhake prilaku sing padha karo gugus pisanan nalika sesambungan karo unit gliserol 1, 2, 3, 4, 5 lan 6. Kajaba iku, nilaine saya tambah kanthi suhu sing saya tambah. Kajaba iku, ing model Term 1 Na Alg − 3PVA-Mid 1 Na Alg sing diusulake, nilai entalpi, entropi lan kapasitas panas saya tambah kanthi isi gliserol sing saya tambah. Singkatan B0, B1, B2, B3, B4, B5 lan B6 makili struktur ing ngisor iki: 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 lan Term 1 Na Alg- 3PVA- Mid 1 Na Alg − 6 Gly. Kaya sing dituduhake ing Gambar 6a–c, jelas yen nilai entalpi, entropi, lan kapasitas panas mundhak nalika jumlah unit gliserol mundhak saka 1 nganti 6.
PM6 ngetung parameter termal saka Term 1 Na Alg- 3PVA- Mid 1 Na Alg murni (model B0), Term 1 Na Alg- 3PVA- Mid 1 Na Alg – 1 Gly (model B1), Term 1 Na Alg- 3PVA- Mid 1 Na Alg – 2 Gly (model B2), Term 1 Na Alg- 3PVA- Mid 1 Na Alg – 3 Gly (model B3), Term 1 Na Alg- 3PVA- Mid 1 Na Alg – 4 Gly (model B4), Term 1 Na Alg- 3PVA- Mid 1 Na Alg – 5 Gly (model B5), lan Term 1 Na Alg- 3PVA- Mid 1 Na Alg – 6 Gly (model B6), kalebu (a) entalpi, (b) entropi, (c) kapasitas panas, (d) energi bebas, lan (e) panas pembentukan.
Kajaba iku, struktur sing makili Term 1 Na Alg- 3PVA- Mid 1 Na Alg- 6 Gly nduweni nilai entalpi, entropi, lan kapasitas panas paling dhuwur dibandhingake karo struktur liyane. Antarane, nilaine mundhak saka 16,703 kal/mol, 257,990 kal/mol/K lan 131,323 kkal/mol ing Term 1 Na Alg − 3PVA- Mid 1 Na Alg dadi 33,223 kal/mol, 420,038 kal/mol/K lan 275,923 kkal/mol ing Term 1 Na Alg − 3PVA- Mid 1 Na Alg − 6 Gly.
Nanging, Gambar 6d lan e nuduhake katergantungan suhu saka energi bebas lan panas pembentukan pungkasan (HF). HF bisa ditegesake minangka owah-owahan entalpi sing kedadeyan nalika siji mol zat dibentuk saka unsur-unsure ing kahanan alami lan standar. Saka gambar kasebut, katon yen energi bebas lan panas pembentukan pungkasan kabeh struktur sing ditliti nuduhake katergantungan linier marang suhu, yaiku, kanthi bertahap lan linier mundhak kanthi suhu sing saya tambah. Kajaba iku, gambar kasebut uga ngonfirmasi yen struktur sing makili Term 1 Na Alg − 3PVA- Mid 1 Na Alg − 6 Gly duwe energi bebas paling endhek lan HF paling endhek. Kaloro parameter kasebut mudhun saka -758,337 dadi -899,741 K kal/mol ing istilah 1 Na Alg − 3PVA- Mid 1 Na Alg − 6 Gly dadi -1.476,591 lan -1.828,523 K kal/mol. Saka asil kasebut, katon yen HF mudhun kanthi tambah unit gliserol. Iki tegese amarga tambahing gugus fungsi, reaktivitas uga mundhak lan mula energi sing dibutuhake kanggo nindakake reaksi luwih sithik. Iki ngonfirmasi manawa PVA/NaAlg sing diplastisisasi bisa digunakake ing baterei amarga reaktivitas sing dhuwur.
Umumé, efek suhu dipérang dadi rong jinis: efek suhu cendhèk lan efek suhu dhuwur. Efek saka suhu cendhèk utamane dirasakake ing negara-negara sing dumunung ing garis lintang dhuwur, kayata Greenland, Kanada, lan Rusia. Ing mangsa dingin, suhu udara njaba ing panggonan kasebut adoh ing ngisor nol derajat Celsius. Umur lan kinerja baterei lithium-ion bisa kena pengaruh suhu cendhèk, utamane sing digunakake ing kendaraan listrik hibrida plug-in, kendaraan listrik murni, lan kendaraan listrik hibrida. Perjalanan luar angkasa minangka lingkungan adhem liyane sing mbutuhake baterei lithium-ion. Contone, suhu ing Mars bisa mudhun nganti -120 derajat Celsius, sing dadi alangan sing signifikan kanggo panggunaan baterei lithium-ion ing pesawat ruang angkasa. Suhu operasi sing cendhèk bisa nyebabake penurunan kecepatan transfer muatan lan aktivitas reaksi kimia baterei lithium-ion, sing nyebabake penurunan kecepatan difusi ion lithium ing njero elektroda lan konduktivitas ionik ing elektrolit. Degradasi iki nyebabake penurunan kapasitas lan daya energi, lan kadhangkala malah penurunan kinerja53.
Efek suhu dhuwur kedadeyan ing macem-macem lingkungan aplikasi, kalebu lingkungan suhu dhuwur lan endhek, dene efek suhu endhek utamane diwatesi ing lingkungan aplikasi suhu endhek. Efek suhu endhek utamane ditemtokake dening suhu sekitar, dene efek suhu dhuwur biasane luwih akurat disebabake suhu dhuwur ing njero baterei lithium-ion sajrone operasi.
Baterei litium-ion ngasilake panas ing kahanan arus dhuwur (kalebu pangisian daya cepet lan pangisian daya cepet), sing nyebabake suhu internal mundhak. Paparan suhu dhuwur uga bisa nyebabake penurunan kinerja batere, kalebu ilang kapasitas lan daya. Biasane, ilang litium lan pemulihan bahan aktif ing suhu dhuwur nyebabake ilang kapasitas, lan ilang daya amarga kenaikan resistensi internal. Yen suhu ora bisa dikendhaleni, pelarian termal kedadeyan, sing ing sawetara kasus bisa nyebabake pembakaran spontan utawa malah bledosan.
Pitungan QSAR minangka metode pemodelan komputasi utawa matematika sing digunakake kanggo ngenali hubungan antarane aktivitas biologis lan sifat struktural senyawa. Kabeh molekul sing dirancang dioptimalake lan sawetara sifat QSAR diitung ing tingkat PM6. Tabel 3 ndhaptar sawetara deskriptor QSAR sing diitung. Conto deskriptor kasebut yaiku muatan, TDM, energi total (E), potensial ionisasi (IP), Log P, lan polarizabilitas (waca Tabel 1 kanggo rumus kanggo nemtokake IP lan Log P).
Asil itungan nuduhake yen muatan total kabeh struktur sing ditliti yaiku nol amarga ana ing kahanan dhasar. Kanggo probabilitas interaksi pisanan, TDM gliserol yaiku 2,788 Debye lan 6,840 Debye kanggo 3PVA-(C10)2NaAlg, dene nilai TDM ditambah dadi 17,990 Debye, 8,848 Debye, 5,874 Debye, 7,568 Debye lan 12,779 Debye nalika 3PVA-(C10)2NaAlg berinteraksi karo 1, 2, 3, 4 lan 5 unit gliserol. Semakin dhuwur nilai TDM, semakin dhuwur reaktivitas karo lingkungan.
Energi total (E) uga diitung, lan nilai E gliserol lan 3PVA-(C10)2 NaAlg ditemokake yaiku -141,833 eV lan -200092,503 eV. Sauntara kuwi, struktur sing makili 3PVA-(C10)2 NaAlg berinteraksi karo 1, 2, 3, 4 lan 5 unit gliserol; E dadi -996,837, -1108,440, -1238,740, -1372,075 lan -1548,031 eV. Tambahing kandungan gliserol nyebabake mudhuning energi total lan mulane tambahing reaktivitas. Adhedhasar pitungan energi total, disimpulake yen molekul model, yaiku 3PVA-2Na Alg-5 Gly, luwih reaktif tinimbang molekul model liyane. Fenomena iki ana hubungane karo strukture. 3PVA-(C10)2NaAlg mung ngandhut rong gugus -COONa, dene struktur liyane ngandhut rong gugus -COONa nanging nggawa sawetara gugus OH, sing tegese reaktivitas marang lingkungan saya tambah.
Kajaba iku, energi ionisasi (IE) saka kabeh struktur uga ditimbang ing panliten iki. Energi ionisasi minangka parameter penting kanggo ngukur reaktivitas model sing ditliti. Energi sing dibutuhake kanggo mindhah elektron saka salah sawijining titik molekul menyang tanpa wates diarani energi ionisasi. Iki nggambarake derajat ionisasi (yaiku reaktivitas) molekul. Sing luwih dhuwur energi ionisasi, sing luwih murah reaktivitas. Asil IE saka 3PVA-(C10)2NaAlg sing berinteraksi karo unit 1, 2, 3, 4 lan 5 gliserol yaiku -9,256, -9,393, -9,393, -9,248 lan -9,323 eV, dene IE gliserol lan 3PVA-(C10)2NaAlg yaiku -5,157 lan -9,341 eV, masing-masing. Amarga panambahan gliserol nyebabake penurunan nilai IP, reaktivitas molekuler mundhak, sing nambah penerapan molekul model PVA/NaAlg/gliserol ing piranti elektrokimia.
Deskriptor kaping lima ing Tabel 3 yaiku Log P, yaiku logaritma koefisien partisi lan digunakake kanggo njlentrehake apa struktur sing ditliti iku hidrofilik utawa hidrofobik. Nilai Log P negatif nuduhake molekul hidrofilik, tegese molekul kasebut gampang larut ing banyu lan ora larut kanthi apik ing pelarut organik. Nilai positif nuduhake proses sing ngelawan.
Adhedhasar asil sing dipikolehi, bisa disimpulake yen kabeh struktur kasebut hidrofilik, amarga nilai Log P (3PVA-(C10)2Na Alg − 1Gly, 3PVA-(C10)2Na Alg − 2Gly, 3PVA-(C10)2Na Alg − 3Gly, 3PVA-(C10)2Na Alg − 4Gly lan 3PVA-(C10)2Na Alg − 5Gly) yaiku -3,537, -5,261, -6,342, -7,423 lan -8,504, dene nilai Log P gliserol mung -1,081 lan 3PVA-(C10)2Na Alg mung -3,100. Iki tegese sifat-sifat struktur sing ditliti bakal owah nalika molekul banyu digabungake menyang strukture.
Pungkasan, polarisabilitas kabeh struktur uga diitung ing tingkat PM6 nggunakake metode semi-empiris. Sadurunge wis dicathet yen polarisabilitas umume bahan gumantung saka macem-macem faktor. Faktor sing paling penting yaiku volume struktur sing ditliti. Kanggo kabeh struktur sing nglibatake jinis interaksi pertama antarane 3PVA lan 2NaAlg (interaksi kedadeyan liwat nomer atom karbon 10), polarisabilitas ditingkatake kanthi tambahan gliserol. Polarisabilitas mundhak saka 29,690 Å dadi 35,076, 40,665, 45,177, 50,239 lan 54,638 Å amarga interaksi karo unit 1, 2, 3, 4 lan 5 gliserol. Dadi, ditemokake yen molekul model kanthi polarisabilitas paling dhuwur yaiku 3PVA-(C10)2NaAlg−5Gly, dene molekul model kanthi polarisabilitas paling endhek yaiku 3PVA-(C10)2NaAlg, yaiku 29,690 Å.
Evaluasi deskriptor QSAR nuduhake yen struktur sing makili 3PVA-(C10)2NaAlg − 5Gly minangka sing paling reaktif kanggo interaksi pisanan sing diusulake.
Kanggo mode interaksi kapindho antarane trimer PVA lan dimer NaAlg, asil nuduhake yen muatane padha karo sing diusulake ing bagean sadurunge kanggo interaksi pertama. Kabeh struktur duwe muatan elektronik nol, sing tegese kabeh ana ing kahanan dasar.
Kaya sing dituduhake ing Tabel 4, nilai TDM (diitung ing tingkat PM6) saka Term 1 Na Alg − 3PVA-Mid 1 Na Alg mundhak saka 11,581 Debye dadi 15,756, 19,720, 21,756, 22,732, 15,507, lan 15,756 nalika Term 1 Na Alg − 3PVA-Mid 1 Na Alg reaksi karo 1, 2, 3, 4, 5, lan 6 unit gliserol. Nanging, energi total mudhun kanthi tambahing jumlah unit gliserol, lan nalika Term 1 Na Alg − 3PVA- Mid 1 Na Alg berinteraksi karo sawetara unit gliserol (1 nganti 6), energi total yaiku − 996,985, − 1129,013, − 1267,211, − 1321,775, − 1418,964, lan − 1637,432 eV.
Kanggo probabilitas interaksi kapindho, IP, Log P, lan polarizabilitas uga diitung ing tingkat teori PM6. Mulane, dheweke nganggep telung deskriptor reaktivitas molekuler sing paling kuat. Kanggo struktur sing makili End 1 Na Alg-3PVA-Mid 1 Na Alg sing berinteraksi karo unit gliserol 1, 2, 3, 4, 5, lan 6, IP mundhak saka −9,385 eV dadi −8,946, −8,848, −8,430, −9,537, −7,997, lan −8,900 eV. Nanging, nilai Log P sing diitung luwih murah amarga plastisisasi End 1 Na Alg-3PVA-Mid 1 Na Alg karo gliserol. Nalika kandungan gliserol mundhak saka 1 dadi 6, nilaine dadi -5,334, -6,415, -7,496, -9,096, -9,861 lan -10,53 tinimbang -3,643. Pungkasan, data polarisabilitas nuduhake yen nambah kandungan gliserol nyebabake tambah polarisabilitas Term 1 Na Alg-3PVA-Mid 1 Na Alg. Polarisabilitas molekul model Term 1 Na Alg-3PVA-Mid 1 Na Alg mundhak saka 31,703 Å dadi 63,198 Å sawise interaksi karo 6 unit gliserol. Penting kanggo dicathet yen nambah jumlah unit gliserol ing probabilitas interaksi kapindho ditindakake kanggo ngonfirmasi yen sanajan akeh atom lan struktur kompleks, kinerja isih luwih apik kanthi tambah kandungan gliserol. Dadi, bisa diarani yen model PVA/Na Alg/gliserin sing kasedhiya bisa ngganti sebagian baterei lithium-ion, nanging isih butuh riset lan pangembangan luwih lanjut.
Njlentrehake kapasitas ikatan permukaan menyang adsorbat lan ngevaluasi interaksi unik antarane sistem mbutuhake kawruh babagan jinis ikatan sing ana ing antarane rong atom, kerumitan interaksi intermolekul lan intramolekul, lan distribusi kapadhetan elektron permukaan lan adsorben. Kapadhetan elektron ing titik kritis ikatan (BCP) antarane atom sing berinteraksi penting banget kanggo netepake kekuatan ikatan ing analisis QTAIM. Sing luwih dhuwur kapadhetan muatan elektron, sing luwih stabil interaksi kovalen lan, umume, sing luwih dhuwur kapadhetan elektron ing titik kritis kasebut. Kajaba iku, yen kapadhetan energi elektron total (H(r)) lan kapadhetan muatan Laplace (∇2ρ(r)) kurang saka 0, iki nuduhake anané interaksi kovalen (umum). Ing sisih liya, nalika ∇2ρ(r) lan H(r) luwih gedhe saka 0,54, iki nuduhake anané interaksi non-kovalen (cangkang tertutup) kayata ikatan hidrogen sing lemah, gaya van der Waals lan interaksi elektrostatik. Analisis QTAIM nuduhake sifat interaksi non-kovalen ing struktur sing ditliti kaya sing dituduhake ing Gambar 7 lan 8. Adhedhasar analisis kasebut, molekul model sing makili 3PVA − 2Na Alg lan Term 1 Na Alg − 3PVA –Mid 1 Na Alg nuduhake stabilitas sing luwih dhuwur tinimbang molekul sing berinteraksi karo unit glisin sing beda. Iki amarga sawetara interaksi non-kovalen sing luwih umum ing struktur alginat kayata interaksi elektrostatik lan ikatan hidrogen ngidini alginat nyetabilake komposit. Salajengipun, asil kita nuduhake pentinge interaksi non-kovalen antarane molekul model 3PVA − 2Na Alg lan Term 1 Na Alg − 3PVA –Mid 1 Na Alg lan glisin, sing nuduhake yen glisin nduweni peran penting kanggo ngowahi lingkungan elektronik sakabèhé saka komposit.
Analisis QTAIM saka molekul model 3PVA − 2NaAlg sing berinteraksi karo (a) 0 Gly, (b) 1 Gly, (c) 2 Gly, (d) 3 Gly, (e) 4 Gly, lan (f) 5Gly.