nature.com ला भेट दिल्याबद्दल धन्यवाद. तुम्ही वापरत असलेल्या ब्राउझर आवृत्तीला मर्यादित CSS सपोर्ट आहे. सर्वोत्तम अनुभवासाठी, आम्ही नवीनतम ब्राउझर आवृत्ती वापरण्याची शिफारस करतो (किंवा इंटरनेट एक्सप्लोररमध्ये सुसंगतता मोड बंद करा). याव्यतिरिक्त, सतत सपोर्ट सुनिश्चित करण्यासाठी, या साइटमध्ये शैली किंवा JavaScript समाविष्ट नसेल.
मुबलक सोडियम संसाधनामुळे, सोडियम-आयन बॅटरी (NIBs) इलेक्ट्रोकेमिकल ऊर्जा साठवणुकीसाठी एक आशादायक पर्यायी उपाय आहेत. सध्या, NIB तंत्रज्ञानाच्या विकासातील मुख्य अडथळा म्हणजे इलेक्ट्रोड मटेरियलचा अभाव आहे जे सोडियम आयन दीर्घकाळासाठी उलटे साठवू/मुक्त करू शकतात. म्हणून, या अभ्यासाचे उद्दिष्ट NIB इलेक्ट्रोड मटेरियल म्हणून पॉलिव्हिनाइल अल्कोहोल (PVA) आणि सोडियम अल्जिनेट (NaAlg) मिश्रणांवर ग्लिसरॉल जोडणीचा परिणाम सैद्धांतिकदृष्ट्या तपासणे आहे. हा अभ्यास PVA, सोडियम अल्जिनेट आणि ग्लिसरॉल मिश्रणांवर आधारित पॉलिमर इलेक्ट्रोलाइट्सच्या इलेक्ट्रॉनिक, थर्मल आणि क्वांटिटेटिव्ह स्ट्रक्चर-अ‍ॅक्टिव्हिटी रिलेशनशिप (QSAR) वर्णनकर्त्यांवर लक्ष केंद्रित करतो. अर्ध-अनुभवजन्य पद्धती आणि घनता कार्यात्मक सिद्धांत (DFT) वापरून या गुणधर्मांची तपासणी केली जाते. संरचनात्मक विश्लेषणाने PVA/अल्जिनेट आणि ग्लिसरॉलमधील परस्परसंवादाचे तपशील उघड केल्यामुळे, बँड गॅप एनर्जी (Eg) तपासण्यात आली. परिणाम दर्शवितात की ग्लिसरॉल जोडल्याने Eg मूल्य 0.2814 eV पर्यंत कमी होते. आण्विक इलेक्ट्रोस्टॅटिक पोटेंशियल पृष्ठभाग (MESP) संपूर्ण इलेक्ट्रोलाइट सिस्टममध्ये इलेक्ट्रॉन-समृद्ध आणि इलेक्ट्रॉन-कमी क्षेत्रांचे आणि आण्विक शुल्कांचे वितरण दर्शवितो. अभ्यासलेल्या थर्मल पॅरामीटर्समध्ये एन्थॅल्पी (H), एन्ट्रोपी (ΔS), उष्णता क्षमता (Cp), गिब्स मुक्त ऊर्जा (G) आणि निर्मितीची उष्णता यांचा समावेश आहे. याव्यतिरिक्त, या अभ्यासात एकूण द्विध्रुवीय क्षण (TDM), एकूण ऊर्जा (E), आयनीकरण क्षमता (IP), लॉग P आणि ध्रुवीकरणक्षमता यासारख्या अनेक परिमाणात्मक संरचना-क्रियाकलाप संबंध (QSAR) वर्णनकांची तपासणी करण्यात आली. परिणामांवरून असे दिसून आले की वाढत्या तापमान आणि ग्लिसरॉल सामग्रीसह H, ΔS, Cp, G आणि TDM वाढले. दरम्यान, निर्मितीची उष्णता, IP आणि E कमी झाली, ज्यामुळे प्रतिक्रियाशीलता आणि ध्रुवीकरणक्षमता सुधारली. याव्यतिरिक्त, ग्लिसरॉल जोडून, ​​सेल व्होल्टेज 2.488 V पर्यंत वाढला. किफायतशीर PVA/Na Alg ग्लिसरॉल-आधारित इलेक्ट्रोलाइट्सवर आधारित DFT आणि PM6 गणना दर्शविते की ते त्यांच्या बहु-कार्यक्षमतेमुळे लिथियम-आयन बॅटरी अंशतः बदलू शकतात, परंतु पुढील सुधारणा आणि संशोधन आवश्यक आहे.
जरी लिथियम-आयन बॅटरी (LIBs) मोठ्या प्रमाणावर वापरल्या जात असल्या तरी, त्यांच्या कमी सायकल लाइफ, उच्च किंमत आणि सुरक्षिततेच्या चिंतांमुळे त्यांच्या वापरावर अनेक मर्यादा येतात. सोडियम-आयन बॅटरी (SIBs) त्यांच्या विस्तृत उपलब्धतेमुळे, कमी किमतीमुळे आणि सोडियम घटकाच्या विषारीपणामुळे LIBs साठी एक व्यवहार्य पर्याय बनू शकतात. सोडियम-आयन बॅटरी (SIBs) इलेक्ट्रोकेमिकल उपकरणांसाठी वाढत्या प्रमाणात महत्वाची ऊर्जा साठवण प्रणाली बनत आहेत. आयन वाहतूक सुलभ करण्यासाठी आणि विद्युत प्रवाह निर्माण करण्यासाठी सोडियम-आयन बॅटरी इलेक्ट्रोलाइट्सवर जास्त अवलंबून असतात2,3. द्रव इलेक्ट्रोलाइट्स प्रामुख्याने धातूच्या क्षार आणि सेंद्रिय सॉल्व्हेंट्सपासून बनलेले असतात. व्यावहारिक अनुप्रयोगांसाठी द्रव इलेक्ट्रोलाइट्सच्या सुरक्षिततेचा काळजीपूर्वक विचार करणे आवश्यक आहे, विशेषतः जेव्हा बॅटरी थर्मल किंवा इलेक्ट्रिकल ताणाखाली असते4.
सोडियम-आयन बॅटरी (SIBs) जवळच्या भविष्यात लिथियम-आयन बॅटरीची जागा घेतील अशी अपेक्षा आहे कारण त्यांच्या महासागरातील मुबलक साठा, विषारीपणा नसणे आणि कमी साहित्य खर्चामुळे. नॅनोमटेरियल्सच्या संश्लेषणामुळे डेटा स्टोरेज, इलेक्ट्रॉनिक आणि ऑप्टिकल उपकरणांच्या विकासाला गती मिळाली आहे. मोठ्या प्रमाणात साहित्याने सोडियम-आयन बॅटरीमध्ये विविध नॅनोस्ट्रक्चर्स (उदा. मेटल ऑक्साईड्स, ग्राफीन, नॅनोट्यूब्स आणि फुलरीन) वापरण्याचे प्रात्यक्षिक दाखवले आहे. त्यांच्या बहुमुखी प्रतिभा आणि पर्यावरणीय मैत्रीमुळे सोडियम-आयन बॅटरीसाठी पॉलिमरसह एनोड मटेरियलच्या विकासावर संशोधनाने लक्ष केंद्रित केले आहे. रिचार्जेबल पॉलिमर बॅटरीच्या क्षेत्रात संशोधनाची आवड निःसंशयपणे वाढेल. अद्वितीय संरचना आणि गुणधर्मांसह नवीन पॉलिमर इलेक्ट्रोड मटेरियल पर्यावरणपूरक ऊर्जा साठवण तंत्रज्ञानासाठी मार्ग मोकळा करण्याची शक्यता आहे. सोडियम-आयन बॅटरीमध्ये वापरण्यासाठी विविध पॉलिमर इलेक्ट्रोड मटेरियलचा शोध घेण्यात आला असला तरी, हे क्षेत्र अद्याप विकासाच्या सुरुवातीच्या टप्प्यात आहे. सोडियम-आयन बॅटरीसाठी, वेगवेगळ्या स्ट्रक्चरल कॉन्फिगरेशनसह अधिक पॉलिमर मटेरियलचा शोध घेणे आवश्यक आहे. पॉलिमर इलेक्ट्रोड मटेरियलमध्ये सोडियम आयनच्या साठवण यंत्रणेच्या आमच्या सध्याच्या ज्ञानाच्या आधारे, असे गृहीत धरले जाऊ शकते की संयुग्मित प्रणालीतील कार्बोनिल गट, मुक्त रॅडिकल्स आणि हेटेरोअॅटम सोडियम आयनशी संवाद साधण्यासाठी सक्रिय ठिकाणे म्हणून काम करू शकतात. म्हणून, या सक्रिय ठिकाणांच्या उच्च घनतेसह नवीन पॉलिमर विकसित करणे अत्यंत महत्वाचे आहे. जेल पॉलिमर इलेक्ट्रोलाइट (GPE) ही एक पर्यायी तंत्रज्ञान आहे जी बॅटरीची विश्वासार्हता, आयन चालकता, गळती नाही, उच्च लवचिकता आणि चांगली कार्यक्षमता सुधारते12.
पॉलिमर मॅट्रिक्समध्ये PVA आणि पॉलीथिलीन ऑक्साईड (PEO) सारख्या पदार्थांचा समावेश होतो13. जेल पारगम्य पॉलिमर (GPE) पॉलिमर मॅट्रिक्समधील द्रव इलेक्ट्रोलाइटला स्थिर करते, जे व्यावसायिक विभाजकांच्या तुलनेत गळतीचा धोका कमी करते14. PVA हा एक कृत्रिम बायोडिग्रेडेबल पॉलिमर आहे. त्याची उच्च परवानगी आहे, स्वस्त आहे आणि विषारी नाही. हे साहित्य त्याच्या फिल्म-फॉर्मिंग गुणधर्मांसाठी, रासायनिक स्थिरतेसाठी आणि आसंजनासाठी ओळखले जाते. त्यात कार्यात्मक (OH) गट आणि उच्च क्रॉस-लिंकिंग संभाव्य घनता देखील आहे15,16,17. मॅट्रिक्स क्रिस्टलिनिटी कमी करण्यासाठी आणि साखळी लवचिकता वाढवण्यासाठी PVA-आधारित पॉलिमर इलेक्ट्रोलाइट्सची चालकता सुधारण्यासाठी पॉलिमर मिश्रण, प्लास्टिसायझर जोड, संमिश्र जोड आणि इन सिटू पॉलिमरायझेशन तंत्रांचा वापर केला गेला आहे18,19,20.
औद्योगिक वापरासाठी पॉलिमरिक पदार्थ विकसित करण्यासाठी मिश्रण ही एक महत्त्वाची पद्धत आहे. पॉलिमर मिश्रणांचा वापर अनेकदा यासाठी केला जातो: (१) औद्योगिक वापरात नैसर्गिक पॉलिमरचे प्रक्रिया गुणधर्म सुधारणे; (२) जैवविघटनशील पदार्थांचे रासायनिक, भौतिक आणि यांत्रिक गुणधर्म सुधारणे; आणि (३) अन्न पॅकेजिंग उद्योगात नवीन पदार्थांच्या वेगाने बदलणाऱ्या मागणीशी जुळवून घेणे. कोपॉलिमरायझेशनच्या विपरीत, पॉलिमर मिश्रण ही एक कमी किमतीची प्रक्रिया आहे जी इच्छित गुणधर्म प्राप्त करण्यासाठी जटिल रासायनिक प्रक्रियांऐवजी साध्या भौतिक प्रक्रिया वापरते. होमोपॉलिमर तयार करण्यासाठी, वेगवेगळे पॉलिमर द्विध्रुवीय-द्विध्रुवीय बल, हायड्रोजन बंध किंवा चार्ज-ट्रान्सफर कॉम्प्लेक्स द्वारे संवाद साधू शकतात22,23. नैसर्गिक आणि कृत्रिम पॉलिमरपासून बनवलेले मिश्रण उत्कृष्ट यांत्रिक गुणधर्मांसह चांगली जैव सुसंगतता एकत्र करू शकतात, कमी उत्पादन खर्चात एक उत्कृष्ट सामग्री तयार करू शकतात24,25. म्हणून, कृत्रिम आणि नैसर्गिक पॉलिमरचे मिश्रण करून जैवसंबंधित पॉलिमरिक पदार्थ तयार करण्यात खूप रस आहे. PVA सोडियम अल्जिनेट (NaAlg), सेल्युलोज, चिटोसन आणि स्टार्च 26 सह एकत्र केले जाऊ शकते.
सोडियम अल्जिनेट हे एक नैसर्गिक पॉलिमर आणि अ‍ॅनिओनिक पॉलिसेकेराइड आहे जे सागरी तपकिरी शैवालपासून काढले जाते. सोडियम अल्जिनेटमध्ये β-(1-4)-लिंक्ड डी-मॅन्युरोनिक अॅसिड (M) आणि α-(1-4)-लिंक्ड एल-गुलुरोनिक अॅसिड (G) असते जे होमोपॉलिमेरिक स्वरूपात (पॉली-M आणि पॉली-G) आणि हेटेरोपॉलिमेरिक ब्लॉक्स (MG किंवा GM)27 मध्ये संघटित केले जाते. M आणि G ब्लॉक्सची सामग्री आणि सापेक्ष गुणोत्तर अल्जिनेटच्या रासायनिक आणि भौतिक गुणधर्मांवर लक्षणीय प्रभाव पाडते28,29. सोडियम अल्जिनेटचा त्याच्या जैवविघटनशीलता, जैव सुसंगतता, कमी किंमत, चांगले फिल्म-फॉर्मिंग गुणधर्म आणि गैर-विषारीपणामुळे मोठ्या प्रमाणात वापर आणि अभ्यास केला जातो. तथापि, अल्जिनेट साखळीत मोठ्या प्रमाणात मुक्त हायड्रॉक्सिल (OH) आणि कार्बोक्झिलेट (COO) गट अल्जिनेटला अत्यंत हायड्रोफिलिक बनवतात. तथापि, अल्जिनेटमध्ये त्याच्या ठिसूळपणा आणि कडकपणामुळे यांत्रिक गुणधर्म खराब आहेत. म्हणून, पाण्याची संवेदनशीलता आणि यांत्रिक गुणधर्म सुधारण्यासाठी अल्जिनेट इतर कृत्रिम पदार्थांसह एकत्र केले जाऊ शकते30,31.
नवीन इलेक्ट्रोड मटेरियल डिझाइन करण्यापूर्वी, नवीन मटेरियलच्या फॅब्रिकेशन व्यवहार्यतेचे मूल्यांकन करण्यासाठी DFT गणना अनेकदा वापरली जाते. याव्यतिरिक्त, शास्त्रज्ञ प्रायोगिक परिणामांची पुष्टी करण्यासाठी आणि अंदाज लावण्यासाठी, वेळ वाचवण्यासाठी, रासायनिक कचरा कमी करण्यासाठी आणि परस्परसंवाद वर्तनाचा अंदाज लावण्यासाठी आण्विक मॉडेलिंगचा वापर करतात32. आण्विक मॉडेलिंग ही मटेरियल सायन्स, नॅनोमटेरियल्स, संगणकीय रसायनशास्त्र आणि औषध शोध यासह अनेक क्षेत्रांमध्ये विज्ञानाची एक शक्तिशाली आणि महत्त्वाची शाखा बनली आहे33,34. मॉडेलिंग प्रोग्राम वापरून, शास्त्रज्ञ थेट आण्विक डेटा मिळवू शकतात, ज्यामध्ये ऊर्जा (निर्मितीची उष्णता, आयनीकरण क्षमता, सक्रियकरण ऊर्जा इ.) आणि भूमिती (बंध कोन, बंध लांबी आणि टॉर्शन कोन)35 यांचा समावेश आहे. याव्यतिरिक्त, इलेक्ट्रॉनिक गुणधर्म (चार्ज, HOMO आणि LUMO बँड गॅप एनर्जी, इलेक्ट्रॉन अ‍ॅफिनिटी), वर्णक्रमीय गुणधर्म (वैशिष्ट्यपूर्ण कंपन मोड आणि तीव्रता जसे की FTIR स्पेक्ट्रा), आणि बल्क गुणधर्म (व्हॉल्यूम, डिफ्यूजन, स्निग्धता, मॉड्यूलस इ.)36 मोजले जाऊ शकतात.
LiNiPO4 त्याच्या उच्च ऊर्जा घनतेमुळे (सुमारे 5.1 V चा कार्यरत व्होल्टेज) लिथियम-आयन बॅटरी पॉझिटिव्ह इलेक्ट्रोड मटेरियलशी स्पर्धा करण्यात संभाव्य फायदे दर्शविते. उच्च-व्होल्टेज प्रदेशात LiNiPO4 चा फायदा पूर्णपणे वापरण्यासाठी, कार्यरत व्होल्टेज कमी करणे आवश्यक आहे कारण सध्या विकसित केलेले उच्च-व्होल्टेज इलेक्ट्रोलाइट केवळ 4.8 V पेक्षा कमी व्होल्टेजवर तुलनेने स्थिर राहू शकते. झांग आणि इतरांनी LiNiPO4 च्या Ni साइटमधील सर्व 3d, 4d आणि 5d संक्रमण धातूंच्या डोपिंगची तपासणी केली, उत्कृष्ट इलेक्ट्रोकेमिकल कामगिरीसह डोपिंग नमुने निवडले आणि त्याच्या इलेक्ट्रोकेमिकल कामगिरीची सापेक्ष स्थिरता राखत LiNiPO4 चे कार्यरत व्होल्टेज समायोजित केले. त्यांना मिळालेले सर्वात कमी कार्यरत व्होल्टेज Ti, Nb आणि Ta-डोपेड LiNiPO4 साठी अनुक्रमे 4.21, 3.76 आणि 3.5037 होते.
म्हणून, या अभ्यासाचे उद्दिष्ट रिचार्जेबल आयन-आयन बॅटरीमध्ये त्याच्या वापरासाठी क्वांटम मेकॅनिकल गणना वापरून PVA/NaAlg प्रणालीच्या इलेक्ट्रॉनिक गुणधर्मांवर, QSAR वर्णनकर्त्यांवर आणि थर्मल गुणधर्मांवर प्लास्टिसायझर म्हणून ग्लिसरॉलचा प्रभाव सैद्धांतिकदृष्ट्या तपासणे आहे. PVA/NaAlg मॉडेल आणि ग्लिसरॉलमधील आण्विक परस्परसंवादांचे विश्लेषण बॅडरच्या क्वांटम अणु सिद्धांत (QTAIM) वापरून करण्यात आले.
PVA चा NaAlg आणि नंतर ग्लिसरॉलशी परस्परसंवाद दर्शविणारे एक रेणू मॉडेल DFT वापरून ऑप्टिमाइझ केले गेले. इजिप्तमधील कैरो येथील नॅशनल रिसर्च सेंटरमधील स्पेक्ट्रोस्कोपी विभागातील गॉसियन 0938 सॉफ्टवेअर वापरून मॉडेलची गणना करण्यात आली. B3LYP/6-311G(d, p) पातळी 39,40,41,42 वर DFT वापरून मॉडेलची ऑप्टिमाइझ केली गेली. अभ्यासलेल्या मॉडेल्समधील परस्परसंवादाची पडताळणी करण्यासाठी, सिद्धांताच्या समान पातळीवर केलेले वारंवारता अभ्यास ऑप्टिमाइझ केलेल्या भूमितीची स्थिरता दर्शवितात. सर्व मूल्यांकन केलेल्या फ्रिक्वेन्सीजमध्ये नकारात्मक फ्रिक्वेन्सीची अनुपस्थिती संभाव्य उर्जेच्या पृष्ठभागावरील खऱ्या सकारात्मक किमानतेमध्ये अनुमानित रचना हायलाइट करते. TDM, HOMO/LUMO बँड गॅप एनर्जी आणि MESP सारखे भौतिक पॅरामीटर्स सिद्धांताच्या समान क्वांटम मेकॅनिकल पातळीवर मोजले गेले. याव्यतिरिक्त, निर्मितीची अंतिम उष्णता, मुक्त ऊर्जा, एन्ट्रॉपी, एन्थॅल्पी आणि उष्णता क्षमता यासारखे काही थर्मल पॅरामीटर्स तक्ता १ मध्ये दिलेल्या सूत्रांचा वापर करून मोजले गेले. अभ्यास केलेल्या संरचनांच्या पृष्ठभागावर होणाऱ्या परस्परसंवादांची ओळख पटविण्यासाठी अभ्यास केलेल्या मॉडेल्सना रेणूंमधील अणूंच्या क्वांटम सिद्धांत (QTAIM) विश्लेषणाच्या अधीन केले गेले. ही गणना गौशियन ०९ सॉफ्टवेअर कोडमधील “आउटपुट=wfn” कमांड वापरून केली गेली आणि नंतर अ‍ॅव्होगॅड्रो सॉफ्टवेअर कोड४३ वापरून दृश्यमान केली गेली.
जिथे E ही अंतर्गत ऊर्जा आहे, P हा दाब आहे, V हा आकारमान आहे, Q हा प्रणाली आणि त्याच्या वातावरणातील उष्णता विनिमय आहे, T हा तापमान आहे, ΔH हा एन्थॅल्पी बदल आहे, ΔG हा मुक्त ऊर्जा बदल आहे, ΔS हा एन्ट्रॉपी बदल आहे, a आणि b हे कंपन घटक आहेत, q हा अणुभार आहे आणि C हा अणु इलेक्ट्रॉन घनता आहे44,45. शेवटी, त्याच संरचना ऑप्टिमाइझ केल्या गेल्या आणि इजिप्तमधील कैरो येथील राष्ट्रीय संशोधन केंद्राच्या स्पेक्ट्रोस्कोपी विभागात SCIGRESS सॉफ्टवेअर कोड46 वापरून PM6 पातळीवर QSAR पॅरामीटर्सची गणना केली गेली.
आमच्या मागील कामात47, आम्ही तीन PVA युनिट्स आणि दोन NaAlg युनिट्सच्या परस्परसंवादाचे वर्णन करणारे सर्वात संभाव्य मॉडेलचे मूल्यांकन केले, ज्यामध्ये ग्लिसरॉल प्लास्टिसायझर म्हणून काम करते. वर नमूद केल्याप्रमाणे, PVA आणि NaAlg च्या परस्परसंवादासाठी दोन शक्यता आहेत. 3PVA-2Na Alg (कार्बन क्रमांक 10 वर आधारित) आणि टर्म 1Na Alg-3PVA-Mid 1Na Alg असे नामांकित केलेले दोन मॉडेल्स, विचारात घेतलेल्या इतर संरचनांच्या तुलनेत सर्वात कमी ऊर्जा अंतर मूल्य48 आहेत. म्हणून, PVA/Na Alg मिश्रण पॉलिमरच्या सर्वात संभाव्य मॉडेलवर Gly व्यतिरिक्तचा परिणाम नंतरच्या दोन रचना वापरून तपासण्यात आला: 3PVA-(C10)2Na Alg (साधेपणासाठी 3PVA-2Na Alg म्हणून संदर्भित) आणि टर्म 1 Na Alg − 3PVA-Mid 1 Na Alg. साहित्यानुसार, PVA, NaAlg आणि ग्लिसरॉल हायड्रॉक्सिल कार्यात्मक गटांमध्ये फक्त कमकुवत हायड्रोजन बंध तयार करू शकतात. PVA ट्रिमर आणि NaAlg आणि ग्लिसरॉल डायमर दोन्हीमध्ये अनेक OH गट असल्याने, संपर्क OH गटांपैकी एकाद्वारे साध्य केला जाऊ शकतो. आकृती 1 मॉडेल ग्लिसरॉल रेणू आणि मॉडेल रेणू 3PVA-2Na Alg यांच्यातील परस्परसंवाद दर्शविते आणि आकृती 2 मॉडेल रेणू टर्म 1Na Alg-3PVA-Mid 1Na Alg आणि ग्लिसरॉलच्या वेगवेगळ्या सांद्रता यांच्यातील परस्परसंवादाचे बांधलेले मॉडेल दर्शविते.
ऑप्टिमाइज्ड स्ट्रक्चर्स: (अ) ग्लाय आणि 3PVA − 2Na Alg (ब) 1 ग्लाय, (क) 2 ग्लाय, (ड) 3 ग्लाय, (इ) 4 ग्लाय आणि (फ) 5 ग्लाय शी संवाद साधतात.
(a) 1 Gly, (b) 2 Gly, (c) 3 Gly, (d) 4 Gly, (e) 5 Gly, आणि (f) 6 Gly शी संवाद साधणाऱ्या टर्म 1Na Alg- 3PVA – Mid 1Na Alg च्या ऑप्टिमाइझ केलेल्या रचना.
कोणत्याही इलेक्ट्रोड मटेरियलच्या रिऍक्टिव्हिटीचा अभ्यास करताना इलेक्ट्रॉन बँड गॅप एनर्जी हा एक महत्त्वाचा पॅरामीटर आहे जो विचारात घेतला पाहिजे. कारण जेव्हा मटेरियल बाह्य बदलांना सामोरे जाते तेव्हा ते इलेक्ट्रॉनच्या वर्तनाचे वर्णन करते. म्हणून, अभ्यास केलेल्या सर्व रचनांसाठी HOMO/LUMO च्या इलेक्ट्रॉन बँड गॅप एनर्जीचा अंदाज लावणे आवश्यक आहे. तक्ता 2 ग्लिसरॉलच्या व्यतिरिक्त 3PVA-(C10)2Na Alg आणि टर्म 1Na Alg − 3PVA- मिड 1Na Alg च्या HOMO/LUMO एनर्जीमध्ये झालेले बदल दर्शविते. ref47 नुसार, 3PVA-(C10)2Na Alg चे Eg मूल्य 0.2908 eV आहे, तर दुसऱ्या परस्परसंवादाची संभाव्यता प्रतिबिंबित करणाऱ्या रचनेचे Eg मूल्य (म्हणजेच, टर्म 1Na Alg − 3PVA- मिड 1Na Alg) 0.5706 eV आहे.
तथापि, असे आढळून आले की ग्लिसरॉल जोडल्याने 3PVA-(C10)2Na Alg च्या Eg मूल्यात थोडा बदल झाला. जेव्हा 3PVA-(C10)2NaAlg ने 1, 2, 3, 4 आणि 5 ग्लिसरॉल युनिट्सशी संवाद साधला तेव्हा त्याचे Eg मूल्य अनुक्रमे 0.302, 0.299, 0.308, 0.289 आणि 0.281 eV झाले. तथापि, एक मौल्यवान अंतर्दृष्टी आहे की 3 ग्लिसरॉल युनिट्स जोडल्यानंतर, Eg मूल्य 3PVA-(C10)2Na Alg पेक्षा लहान झाले. पाच ग्लिसरॉल युनिट्ससह 3PVA-(C10)2Na Alg च्या परस्परसंवादाचे प्रतिनिधित्व करणारे मॉडेल हे सर्वात संभाव्य परस्परसंवाद मॉडेल आहे. याचा अर्थ असा की ग्लिसरॉल युनिट्सची संख्या वाढत असताना, परस्परसंवादाची संभाव्यता देखील वाढते.
दरम्यान, परस्परसंवादाच्या दुसऱ्या संभाव्यतेसाठी, पद 1Na Alg − 3PVA – मध्य 1Na Alg- 1Gly, पद 1Na Alg − 3PVA – मध्य 1Na Alg- 2Gly, पद 1Na Alg − 3PVA – मध्य 1Na Alg- 3Gly, पद 1Na Alg − 3PVA – मध्य 1Na Alg- 4Gly, पद 1Na Alg − 3PVA – मध्य 1Na Alg- 5Gly आणि पद 1Na Alg − 3PVA – मध्य 1Na Alg- 6Gly दर्शविणाऱ्या मॉडेल रेणूंच्या HOMO/LUMO ऊर्जा अनुक्रमे 1.343, 1.34 7, 0.976, 0.607, 0.348 आणि 0.496 eV होतात. तक्ता 2 सर्व संरचनांसाठी गणना केलेली HOMO/LUMO बँड गॅप ऊर्जा दर्शविते. शिवाय, पहिल्या गटाच्या परस्परसंवादाच्या संभाव्यतेचे समान वर्तन येथे पुनरावृत्ती होते.
सॉलिड स्टेट फिजिक्समधील बँड थिअरी म्हणते की इलेक्ट्रोड मटेरियलचा बँड गॅप कमी होत असताना, मटेरियलची इलेक्ट्रॉनिक चालकता वाढते. सोडियम-आयन कॅथोड मटेरियलचा बँड गॅप कमी करण्यासाठी डोपिंग ही एक सामान्य पद्धत आहे. जियांग आणि इतरांनी β-NaMnO2 लेयर्ड मटेरियलची इलेक्ट्रॉनिक चालकता सुधारण्यासाठी Cu डोपिंगचा वापर केला. DFT कॅल्क्युलेशन वापरून, त्यांना आढळले की डोपिंगमुळे मटेरियलचा बँड गॅप 0.7 eV वरून 0.3 eV पर्यंत कमी झाला. हे सूचित करते की Cu डोपिंग β-NaMnO2 मटेरियलची इलेक्ट्रॉनिक चालकता सुधारते.
MESP ची व्याख्या आण्विक चार्ज वितरण आणि एकल धन चार्ज यांच्यातील परस्परसंवाद ऊर्जा म्हणून केली जाते. रासायनिक गुणधर्म आणि प्रतिक्रियाशीलता समजून घेण्यासाठी आणि त्यांचा अर्थ लावण्यासाठी MESP हे एक प्रभावी साधन मानले जाते. पॉलिमरिक पदार्थांमधील परस्परसंवादाची यंत्रणा समजून घेण्यासाठी MESP चा वापर केला जाऊ शकतो. MESP अभ्यासाधीन संयुगातील चार्ज वितरणाचे वर्णन करते. याव्यतिरिक्त, MESP अभ्यासाधीन पदार्थांमधील सक्रिय स्थळांबद्दल माहिती प्रदान करते32. आकृती ३ मध्ये सिद्धांताच्या B3LYP/6-311G(d, p) पातळीवर अंदाजित केलेल्या 3PVA-(C10) 2Na Alg, 3PVA-(C10) 2Na Alg − 1Gly, 3PVA-(C10) 2Na Alg − 2Gly, 3PVA-(C10) 2Na Alg − 3Gly, 3PVA-(C10) 2Na Alg − 4Gly, आणि 3PVA-(C10) 2Na Alg − 5Gly चे MESP प्लॉट दाखवले आहेत.
(a) Gly आणि 3PVA − 2Na Alg साठी B3LYP/6-311 g(d, p) सह गणना केलेले MESP आराखडे (b) 1 Gly, (c) 2 Gly, (d) 3 Gly, (e) 4 Gly, आणि (f) 5 Gly शी संवाद साधतात.
दरम्यान, आकृती ४ मध्ये अनुक्रमे टर्म 1Na Alg- 3PVA – मिड 1Na Alg, टर्म 1Na Alg-3PVA – मिड 1Na Alg- 1Gly, टर्म 1Na Alg-3PVA – मिड 1Na Alg − 2Gly, टर्म 1Na Alg-3PVA – मिड 1Na Alg − 3gly, टर्म 1Na Alg-3PVA – मिड 1Na Alg − 4Gly, टर्म 1Na Alg- 3PVA – मिड 1Na Alg- 5gly आणि टर्म 1Na Alg-3PVA – मिड 1Na Alg − 6Gly साठी MESP चे गणना केलेले निकाल दर्शविले आहेत. गणना केलेले MESP हे कॉन्टूर वर्तन म्हणून दर्शविले आहे. कॉन्टूर रेषा वेगवेगळ्या रंगांनी दर्शविल्या जातात. प्रत्येक रंग वेगळ्या इलेक्ट्रोनेगेटिव्हिटी मूल्याचे प्रतिनिधित्व करतो. लाल रंग अत्यंत इलेक्ट्रोनेगेटिव्ह किंवा रिअॅक्टिव्ह साइट्स दर्शवितो. दरम्यान, पिवळा रंग संरचनेतील तटस्थ स्थळे 49, 50, 51 दर्शवितो. MESP निकालांवरून असे दिसून आले की अभ्यास केलेल्या मॉडेल्सभोवती लाल रंग वाढल्याने 3PVA-(C10)2Na Alg ची प्रतिक्रियाशीलता वाढली. दरम्यान, वेगवेगळ्या ग्लिसरॉल सामग्रीशी संवाद साधल्यामुळे टर्म 1Na Alg-3PVA - मिड 1Na Alg मॉडेल रेणूच्या MESP नकाशामध्ये लाल रंगाची तीव्रता कमी होते. प्रस्तावित रचनेभोवती लाल रंगाच्या वितरणातील बदल प्रतिक्रियाशीलता प्रतिबिंबित करतो, तर तीव्रतेत वाढ ग्लिसरॉल सामग्री वाढल्यामुळे 3PVA-(C10)2Na Alg मॉडेल रेणूच्या इलेक्ट्रोनॅगेटिव्हिटीमध्ये वाढ झाल्याची पुष्टी करते.
B3LYP/6-311 g(d, p) ने 1Na Alg-3PVA-मध्य 1Na Alg चा MESP कालावधी मोजला जो (a) 1 Gly, (b) 2 Gly, (c) 3 Gly, (d) 4 Gly, (e) 5 Gly आणि (f) 6 Gly शी संवाद साधतो.
सर्व प्रस्तावित रचनांमध्ये त्यांचे थर्मल पॅरामीटर्स आहेत जसे की एन्थॅल्पी, एन्ट्रॉपी, उष्णता क्षमता, मुक्त ऊर्जा आणि निर्मितीची उष्णता 200 K ते 500 K पर्यंतच्या वेगवेगळ्या तापमानांवर मोजली जाते. भौतिक प्रणालींच्या वर्तनाचे वर्णन करण्यासाठी, त्यांच्या इलेक्ट्रॉनिक वर्तनाचा अभ्यास करण्याव्यतिरिक्त, त्यांच्या थर्मल वर्तनाचा अभ्यास करणे देखील आवश्यक आहे जे त्यांच्या एकमेकांशी परस्परसंवादामुळे तापमानाचे कार्य आहे, जे तक्ता 1 मध्ये दिलेल्या समीकरणांचा वापर करून मोजले जाऊ शकते. या थर्मल पॅरामीटर्सचा अभ्यास वेगवेगळ्या तापमानांवर अशा भौतिक प्रणालींच्या प्रतिसादक्षमतेचा आणि स्थिरतेचा एक महत्त्वाचा सूचक मानला जातो.
PVA ट्रिमरच्या एन्थॅल्पीबद्दल, ते प्रथम NaAlg डायमरशी, नंतर कार्बन अणू #10 शी जोडलेल्या OH गटाद्वारे आणि शेवटी ग्लिसरॉलसह प्रतिक्रिया देते. एन्थॅल्पी हे थर्मोडायनामिक प्रणालीमधील ऊर्जेचे मोजमाप आहे. एन्थॅल्पी ही प्रणालीतील एकूण उष्णतेइतकी असते, जी प्रणालीच्या अंतर्गत उर्जेसह त्याच्या आकारमान आणि दाबाच्या गुणाकाराच्या समतुल्य असते. दुसऱ्या शब्दांत, एन्थॅल्पी दर्शवते की पदार्थात किती उष्णता आणि कार्य जोडले जाते किंवा काढून टाकले जाते52.
आकृती ५ मध्ये वेगवेगळ्या ग्लिसरॉल सांद्रता असलेल्या 3PVA-(C10)2Na Alg च्या अभिक्रियेदरम्यान एन्थॅल्पीमध्ये होणारे बदल दाखवले आहेत. A0, A1, A2, A3, A4 आणि A5 हे संक्षेप अनुक्रमे 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 आणि 3PVA-(C10)2Na Alg − 5Gly या मॉडेल रेणूंचे प्रतिनिधित्व करतात. आकृती ५अ दर्शवते की वाढत्या तापमानासह आणि ग्लिसरॉल सामग्रीसह एन्थॅल्पी वाढते. २०० के तापमानावर ३PVA-(C10)२NaAlg −५Gly (म्हणजेच, A5) दर्शविणाऱ्या संरचनेची एन्थॅल्पी २७.९६६ कॅलरी/मोल आहे, तर २०० के तापमानावर ३PVA-२NaAlg दर्शविणाऱ्या संरचनेची एन्थॅल्पी १३.४९० कॅलरी/मोल आहे. शेवटी, एन्थॅल्पी सकारात्मक असल्याने, ही अभिक्रिया एंडोथर्मिक आहे.
एन्ट्रॉपीची व्याख्या बंद थर्मोडायनामिक प्रणालीमध्ये अनुपलब्ध उर्जेचे मोजमाप म्हणून केली जाते आणि बहुतेकदा ती प्रणालीच्या विकाराचे मोजमाप म्हणून मानली जाते. आकृती 5b तापमानासह 3PVA-(C10)2NaAlg च्या एन्ट्रॉपीमध्ये होणारा बदल आणि ते वेगवेगळ्या ग्लिसरॉल युनिट्सशी कसे संवाद साधते हे दर्शविते. आलेख दर्शवितो की तापमान 200 K पासून 500 K पर्यंत वाढल्याने एन्ट्रॉपी रेषीयरित्या बदलते. आकृती 5b स्पष्टपणे दर्शविते की 3PVA-(C10)2Na Alg मॉडेलची एन्ट्रॉपी 200 K वर 200 cal/K/mol असते कारण 3PVA-(C10)2Na Alg मॉडेल कमी जाळी विकार प्रदर्शित करते. तापमान वाढत असताना, 3PVA-(C10)2Na Alg मॉडेल अव्यवस्थित होते आणि वाढत्या तापमानासह एन्ट्रॉपीमध्ये वाढ स्पष्ट करते. शिवाय, हे स्पष्ट आहे की 3PVA-C10 2Na Alg- 5 Gly च्या रचनेत सर्वाधिक एन्ट्रॉपी मूल्य आहे.
आकृती 5c मध्येही असेच वर्तन दिसून येते, जे तापमानासह उष्णता क्षमतेतील बदल दर्शवते. उष्णता क्षमता म्हणजे दिलेल्या पदार्थाचे तापमान 1 °C47 ने बदलण्यासाठी आवश्यक असलेल्या उष्णतेचे प्रमाण. आकृती 5c मध्ये 1, 2, 3, 4 आणि 5 ग्लिसरॉल युनिट्सशी परस्परसंवाद झाल्यामुळे मॉडेल रेणू 3PVA-(C10)2NaAlg च्या उष्णता क्षमतेत होणारे बदल दर्शविले आहेत. आकृती दर्शवते की मॉडेल 3PVA-(C10)2NaAlg ची उष्णता क्षमता तापमानासह रेषीयरित्या वाढते. वाढत्या तापमानासह उष्णता क्षमतेत झालेली वाढ फोनॉन थर्मल कंपनांमुळे होते. याव्यतिरिक्त, असे पुरावे आहेत की ग्लिसरॉलचे प्रमाण वाढल्याने मॉडेल 3PVA-(C10)2NaAlg च्या उष्णता क्षमतेत वाढ होते. शिवाय, रचना दर्शवते की 3PVA-(C10)2NaAlg−5Gly मध्ये इतर संरचनांच्या तुलनेत सर्वाधिक उष्णता क्षमता मूल्य आहे.
अभ्यासलेल्या संरचनांसाठी मुक्त ऊर्जा आणि निर्मितीची अंतिम उष्णता यासारखे इतर मापदंड अनुक्रमे आकृती 5d आणि e मध्ये दर्शविले आहेत. निर्मितीची अंतिम उष्णता म्हणजे स्थिर दाबाखाली त्याच्या घटक घटकांमधून शुद्ध पदार्थाच्या निर्मिती दरम्यान सोडलेली किंवा शोषलेली उष्णता. मुक्त ऊर्जा ही उर्जेसारखीच एक गुणधर्म म्हणून परिभाषित केली जाऊ शकते, म्हणजेच, त्याचे मूल्य प्रत्येक उष्मागतिक अवस्थेतील पदार्थाच्या प्रमाणात अवलंबून असते. 3PVA-(C10)2NaAlg−5Gly च्या निर्मितीची मुक्त ऊर्जा आणि उष्णता सर्वात कमी होती आणि अनुक्रमे -1318.338 आणि -1628.154 kcal/mol होती. याउलट, 3PVA-(C10)2NaAlg चे प्रतिनिधित्व करणारी रचना इतर संरचनांच्या तुलनेत अनुक्रमे -690.340 आणि -830.673 kcal/mol ची सर्वाधिक मुक्त ऊर्जा आणि निर्मितीची उष्णता मूल्ये आहे. आकृती 5 मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे, ग्लिसरॉलशी संवाद साधल्यामुळे विविध थर्मल गुणधर्म बदलतात. गिब्स मुक्त ऊर्जा नकारात्मक आहे, जी प्रस्तावित रचना स्थिर असल्याचे दर्शवते.
PM6 ने शुद्ध 3PVA- (C10) 2Na Alg (मॉडेल A0), 3PVA- (C10) 2Na Alg − 1 Gly (मॉडेल A1), 3PVA- (C10) 2Na Alg − 2 Gly (मॉडेल A2), 3PVA- (C10) 2Na Alg − 3 Gly (मॉडेल A3), 3PVA- (C10) 2Na Alg − 4 Gly (मॉडेल A4), आणि 3PVA- (C10) 2Na Alg − 5 Gly (मॉडेल A5) चे थर्मल पॅरामीटर्स मोजले, जिथे (a) एन्थॅल्पी आहे, (b) एन्ट्रॉपी आहे, (c) उष्णता क्षमता आहे, (d) मुक्त ऊर्जा आहे आणि (e) निर्मितीची उष्णता आहे.
दुसरीकडे, PVA ट्रिमर आणि डायमरिक NaAlg मधील दुसरा परस्परसंवाद मोड PVA ट्रिमर रचनेत टर्मिनल आणि मधल्या OH गटांमध्ये आढळतो. पहिल्या गटाप्रमाणे, थर्मल पॅरामीटर्सची गणना समान पातळीच्या सिद्धांताचा वापर करून केली गेली. आकृती 6a-e एन्थॅल्पी, एन्ट्रॉपी, उष्णता क्षमता, मुक्त ऊर्जा आणि शेवटी, निर्मितीची उष्णता यांच्यातील फरक दर्शविते. आकृती 6a-c दर्शविते की टर्म 1 NaAlg-3PVA-Mid 1 NaAlg ची एन्थॅल्पी, एन्ट्रॉपी आणि उष्णता क्षमता 1, 2, 3, 4, 5 आणि 6 ग्लिसरॉल युनिट्सशी संवाद साधताना पहिल्या गटाप्रमाणेच वर्तन दर्शवते. शिवाय, वाढत्या तापमानासह त्यांची मूल्ये हळूहळू वाढतात. याव्यतिरिक्त, प्रस्तावित टर्म 1 Na Alg − 3PVA-Mid 1 Na Alg मॉडेलमध्ये, ग्लिसरॉल सामग्रीच्या वाढीसह एन्थॅल्पी, एन्ट्रॉपी आणि उष्णता क्षमता मूल्ये वाढली. B0, B1, B2, B3, B4, B5 आणि B6 हे संक्षेप अनुक्रमे खालील रचना दर्शवतात: पद 1 Na Alg − 3PVA- मध्य 1 Na Alg, पद 1 Na Alg- 3PVA- मध्य 1 Na Alg − 1 Gly, पद 1 Na Alg- 3PVA- मध्य 1 Na Alg − 2gly, पद 1 Na Alg- 3PVA- मध्य 1 Na Alg − 3gly, पद 1 Na Alg- 3PVA- मध्य 1 Na Alg − 4 Gly, पद 1 Na Alg- 3PVA- मध्य 1 Na Alg − 5 Gly आणि पद 1 Na Alg- 3PVA- मध्य 1 Na Alg − 6 Gly. आकृती 6a–c मध्ये दाखवल्याप्रमाणे, ग्लिसरॉल युनिट्सची संख्या 1 ते 6 पर्यंत वाढल्याने एन्थॅल्पी, एन्ट्रॉपी आणि उष्णता क्षमतेची मूल्ये वाढत असल्याचे स्पष्ट आहे.
PM6 ने शुद्ध टर्म 1 Na Alg- 3PVA- मध्य 1 Na Alg (मॉडेल B0), टर्म 1 Na Alg- 3PVA- मध्य 1 Na Alg – 1 Gly (मॉडेल B1), टर्म 1 Na Alg- 3PVA- मध्य 1 Na Alg – 2 Gly (मॉडेल B2), टर्म 1 Na Alg- 3PVA- मध्य 1 Na Alg – 3 Gly (मॉडेल B3), टर्म 1 Na Alg- 3PVA- मध्य 1 Na Alg – 4 Gly (मॉडेल B4), टर्म 1 Na Alg- 3PVA- मध्य 1 Na Alg – 5 Gly (मॉडेल B5), आणि टर्म 1 Na Alg- 3PVA- मध्य 1 Na Alg – 6 Gly (मॉडेल B6) चे थर्मल पॅरामीटर्स मोजले, ज्यामध्ये (a) एन्थॅल्पी, (b) एन्ट्रॉपी, (c) उष्णता क्षमता, (d) मुक्त ऊर्जा आणि (e) निर्मितीची उष्णता यांचा समावेश आहे.
याव्यतिरिक्त, टर्म 1 Na Alg- 3PVA- मिड 1 Na Alg- 6 Gly दर्शविणारी रचना इतर रचनांच्या तुलनेत एन्थॅल्पी, एन्ट्रॉपी आणि उष्णता क्षमतेची सर्वोच्च मूल्ये दर्शवते. त्यापैकी, त्यांची मूल्ये टर्म 1 Na Alg − 3PVA- मिड 1 Na Alg मधील 16.703 cal/mol, 257.990 cal/mol/K आणि 131.323 kcal/mol वरून टर्म 1 Na Alg − 3PVA- मिड 1 Na Alg − 6 Gly मध्ये अनुक्रमे 33.223 cal/mol, 420.038 cal/mol/K आणि 275.923 kcal/mol झाली.
तथापि, आकृती 6d आणि e मध्ये मुक्त ऊर्जेचे तापमान अवलंबित्व आणि निर्मितीची अंतिम उष्णता (HF) दर्शविली आहे. नैसर्गिक आणि मानक परिस्थितीत पदार्थाचा एक मोल त्याच्या घटकांपासून तयार होतो तेव्हा होणारा एन्थॅल्पी बदल म्हणून HF ची व्याख्या केली जाऊ शकते. आकृतीवरून हे स्पष्ट होते की सर्व अभ्यासलेल्या रचनांची मुक्त ऊर्जा आणि निर्मितीची अंतिम उष्णता तापमानावर एक रेषीय अवलंबित्व दर्शवते, म्हणजेच वाढत्या तापमानासह ते हळूहळू आणि रेषीयपणे वाढते. याव्यतिरिक्त, आकृतीने असेही पुष्टी केली की पद 1 Na Alg − 3PVA- मध्य 1 Na Alg − 6 Gly दर्शविणारी रचना सर्वात कमी मुक्त ऊर्जा आणि सर्वात कमी HF आहे. दोन्ही पॅरामीटर्स 1 Na Alg − 3PVA- मध्य 1 Na Alg − 6 Gly या पदात -758.337 वरून -899.741 K cal/mol पर्यंत कमी झाले -1,476.591 आणि -1,828.523 K cal/mol पर्यंत. निकालांवरून हे स्पष्ट होते की ग्लिसरॉल युनिट्सच्या वाढीसह HF कमी होतो. याचा अर्थ असा की कार्यात्मक गटांच्या वाढीमुळे, प्रतिक्रियाशीलता देखील वाढते आणि म्हणून प्रतिक्रिया करण्यासाठी कमी ऊर्जा आवश्यक असते. हे पुष्टी करते की प्लास्टिकाइज्ड PVA/NaAlg बॅटरीमध्ये त्याच्या उच्च प्रतिक्रियाशीलतेमुळे वापरता येते.
सर्वसाधारणपणे, तापमानाचे परिणाम दोन प्रकारात विभागले जातात: कमी-तापमानाचे परिणाम आणि उच्च-तापमानाचे परिणाम. कमी तापमानाचे परिणाम प्रामुख्याने ग्रीनलँड, कॅनडा आणि रशियासारख्या उच्च अक्षांशांवर असलेल्या देशांमध्ये जाणवतात. हिवाळ्यात, या ठिकाणांच्या बाहेरील हवेचे तापमान शून्य अंश सेल्सिअसपेक्षा खूपच कमी असते. लिथियम-आयन बॅटरीचे आयुष्य आणि कार्यक्षमता कमी तापमानामुळे प्रभावित होऊ शकते, विशेषतः प्लग-इन हायब्रिड इलेक्ट्रिक वाहने, शुद्ध इलेक्ट्रिक वाहने आणि हायब्रिड इलेक्ट्रिक वाहनांमध्ये वापरल्या जाणाऱ्या बॅटरी. अंतराळ प्रवास हे आणखी एक थंड वातावरण आहे ज्यासाठी लिथियम-आयन बॅटरीची आवश्यकता असते. उदाहरणार्थ, मंगळावरील तापमान -१२० अंश सेल्सिअसपर्यंत खाली येऊ शकते, जे अंतराळयानात लिथियम-आयन बॅटरीच्या वापरासाठी एक महत्त्वपूर्ण अडथळा निर्माण करते. कमी ऑपरेटिंग तापमानामुळे लिथियम-आयन बॅटरीच्या चार्ज ट्रान्सफर रेट आणि रासायनिक अभिक्रिया क्रियाकलाप कमी होऊ शकतात, परिणामी इलेक्ट्रोडमधील लिथियम आयनचा प्रसार दर आणि इलेक्ट्रोलाइटमध्ये आयनिक चालकता कमी होते. या ऱ्हासामुळे ऊर्जा क्षमता आणि शक्ती कमी होते आणि कधीकधी कार्यक्षमता देखील कमी होते.
उच्च तापमानाचा परिणाम उच्च आणि कमी तापमानाच्या वातावरणासह विस्तृत अनुप्रयोग वातावरणात होतो, तर कमी तापमानाचा परिणाम प्रामुख्याने कमी तापमानाच्या अनुप्रयोग वातावरणापुरता मर्यादित असतो. कमी तापमानाचा परिणाम प्रामुख्याने सभोवतालच्या तापमानाद्वारे निश्चित केला जातो, तर उच्च तापमानाचा परिणाम सामान्यतः ऑपरेशन दरम्यान लिथियम-आयन बॅटरीच्या आत असलेल्या उच्च तापमानामुळे अधिक अचूकपणे होतो.
लिथियम-आयन बॅटरी उच्च विद्युत प्रवाह परिस्थितीत (जलद चार्जिंग आणि जलद डिस्चार्जिंगसह) उष्णता निर्माण करतात, ज्यामुळे अंतर्गत तापमान वाढते. उच्च तापमानाच्या संपर्कात आल्याने बॅटरीची कार्यक्षमता कमी होऊ शकते, ज्यामध्ये क्षमता आणि शक्ती कमी होणे समाविष्ट आहे. सामान्यतः, उच्च तापमानात लिथियमचे नुकसान आणि सक्रिय पदार्थांची पुनर्प्राप्ती यामुळे क्षमता कमी होते आणि अंतर्गत प्रतिकार वाढल्यामुळे वीज कमी होते. जर तापमान नियंत्रणाबाहेर गेले तर थर्मल रनअवे होते, ज्यामुळे काही प्रकरणांमध्ये उत्स्फूर्त ज्वलन किंवा स्फोट देखील होऊ शकतो.
QSAR गणना ही एक संगणकीय किंवा गणितीय मॉडेलिंग पद्धत आहे जी संयुगांच्या जैविक क्रियाकलाप आणि संरचनात्मक गुणधर्मांमधील संबंध ओळखण्यासाठी वापरली जाते. सर्व डिझाइन केलेले रेणू ऑप्टिमाइझ केले गेले आणि काही QSAR गुणधर्म PM6 पातळीवर मोजले गेले. तक्ता 3 मध्ये काही गणना केलेल्या QSAR वर्णनकर्त्यांची यादी आहे. अशा वर्णनकर्त्यांची उदाहरणे म्हणजे चार्ज, TDM, एकूण ऊर्जा (E), आयनीकरण क्षमता (IP), लॉग P आणि ध्रुवीकरणक्षमता (IP आणि लॉग P निश्चित करण्यासाठी सूत्रांसाठी तक्ता 1 पहा).
गणना निकाल दर्शवितात की सर्व अभ्यासलेल्या संरचनांचे एकूण शुल्क शून्य आहे कारण त्या जमिनीच्या स्थितीत आहेत. पहिल्या परस्परसंवादाच्या संभाव्यतेसाठी, 3PVA-(C10) 2Na Alg साठी ग्लिसरॉलचे TDM 2.788 डेब्ये आणि 6.840 डेब्ये होते, तर 3PVA-(C10) 2Na Alg ने अनुक्रमे 1, 2, 3, 4 आणि 5 युनिट्स ग्लिसरॉलशी संवाद साधला तेव्हा TDM मूल्ये 17.990 डेब्ये, 8.848 डेब्ये, 5.874 डेब्ये, 7.568 डेब्ये आणि 12.779 डेब्ये पर्यंत वाढवली गेली. TDM मूल्य जितके जास्त असेल तितके पर्यावरणाशी त्याची प्रतिक्रियाशीलता जास्त असेल.
एकूण ऊर्जा (E) देखील मोजण्यात आली आणि ग्लिसरॉल आणि 3PVA-(C10)2 NaAlg चे E मूल्य अनुक्रमे -141.833 eV आणि -200092.503 eV असल्याचे आढळले. दरम्यान, 3PVA-(C10)2 NaAlg दर्शविणारी रचना 1, 2, 3, 4 आणि 5 ग्लिसरॉल युनिट्सशी संवाद साधते; E अनुक्रमे -996.837, -1108.440, -1238.740, -1372.075 आणि -1548.031 eV बनते. ग्लिसरॉलचे प्रमाण वाढल्याने एकूण ऊर्जा कमी होते आणि त्यामुळे प्रतिक्रियाशीलतेत वाढ होते. एकूण ऊर्जा गणनेच्या आधारे, असा निष्कर्ष काढण्यात आला की मॉडेल रेणू, जो 3PVA-2Na Alg-5 Gly आहे, तो इतर मॉडेल रेणूंपेक्षा अधिक प्रतिक्रियाशील आहे. ही घटना त्यांच्या रचनेशी संबंधित आहे. 3PVA-(C10)2NaAlg मध्ये फक्त दोन -COONa गट असतात, तर इतर रचनांमध्ये दोन -COONa गट असतात परंतु त्यामध्ये अनेक OH गट असतात, याचा अर्थ पर्यावरणाप्रती त्यांची प्रतिक्रियाशीलता वाढते.
याशिवाय, या अभ्यासात सर्व संरचनांच्या आयनीकरण ऊर्जा (IE) विचारात घेतल्या आहेत. अभ्यासलेल्या मॉडेलची प्रतिक्रियाशीलता मोजण्यासाठी आयनीकरण ऊर्जा ही एक महत्त्वाची पॅरामीटर आहे. इलेक्ट्रॉनला रेणूच्या एका बिंदूपासून अनंतापर्यंत हलविण्यासाठी आवश्यक असलेल्या उर्जेला आयनीकरण ऊर्जा म्हणतात. ती रेणूच्या आयनीकरणाची (म्हणजेच प्रतिक्रियाशीलता) डिग्री दर्शवते. आयनीकरण ऊर्जा जितकी जास्त असेल तितकी प्रतिक्रियाशीलता कमी असेल. १, २, ३, ४ आणि ५ ग्लिसरॉल युनिट्सशी संवाद साधणाऱ्या 3PVA-(C10)2NaAlg चे IE परिणाम अनुक्रमे -9.256, -9.393, -9.393, -9.248 आणि -9.323 eV होते, तर ग्लिसरॉल आणि 3PVA-(C10)2NaAlg चे IE अनुक्रमे -5.157 आणि -9.341 eV होते. ग्लिसरॉल जोडल्याने आयपी मूल्यात घट झाली असल्याने, आण्विक प्रतिक्रियाशीलता वाढली, ज्यामुळे इलेक्ट्रोकेमिकल उपकरणांमध्ये पीव्हीए/नाआल्ग/ग्लिसरॉल मॉडेल रेणूची लागूता वाढते.
तक्ता ३ मधील पाचवा वर्णनकर्ता लॉग पी आहे, जो विभाजन गुणांकाचा लॉगरिथम आहे आणि अभ्यास केला जात असलेली रचना जलराशी किंवा जलराशी आहे की नाही हे वर्णन करण्यासाठी वापरला जातो. ऋण लॉग पी मूल्य जलराशी रेणू दर्शवते, म्हणजेच ते पाण्यात सहजपणे विरघळते आणि सेंद्रिय द्रावकांमध्ये खराब विरघळते. सकारात्मक मूल्य विरुद्ध प्रक्रिया दर्शवते.
मिळालेल्या निकालांवरून, असा निष्कर्ष काढता येतो की सर्व रचना जलप्रेमळ आहेत, कारण त्यांचे लॉग पी मूल्य (3PVA-(C10)2Na Alg − 1Gly, 3PVA-(C10)2Na Alg − 2Gly, 3PVA-(C10)2Na Alg − 3Gly, 3PVA-(C10)2Na Alg − 4Gly आणि 3PVA-(C10)2Na Alg − 5Gly) अनुक्रमे -3.537, -5.261, -6.342, -7.423 आणि -8.504 आहेत, तर ग्लिसरॉलचे लॉग पी मूल्य फक्त -1.081 आणि 3PVA-(C10)2Na Alg फक्त -3.100 आहे. याचा अर्थ असा की अभ्यास केल्या जाणाऱ्या संरचनेचे गुणधर्म पाण्याचे रेणू त्याच्या संरचनेत समाविष्ट झाल्यामुळे बदलतील.
शेवटी, सर्व संरचनांची ध्रुवीकरणक्षमता देखील अर्ध-अनुभवजन्य पद्धती वापरून PM6 पातळीवर मोजली जाते. बहुतेक पदार्थांची ध्रुवीकरणक्षमता विविध घटकांवर अवलंबून असते हे आधी लक्षात आले होते. सर्वात महत्त्वाचा घटक म्हणजे अभ्यासाधीन संरचनेचे आकारमान. 3PVA आणि 2NaAlg (कार्बन अणू क्रमांक 10 द्वारे परस्परसंवाद होतो) मधील पहिल्या प्रकारच्या परस्परसंवादाचा समावेश असलेल्या सर्व संरचनांसाठी, ग्लिसरॉल जोडून ध्रुवीकरणक्षमता सुधारली जाते. 1, 2, 3, 4 आणि 5 ग्लिसरॉल युनिट्सशी परस्परसंवाद झाल्यामुळे ध्रुवीकरणक्षमता 29.690 Å वरून 35.076, 40.665, 45.177, 50.239 आणि 54.638 Å पर्यंत वाढते. अशाप्रकारे, असे आढळून आले की सर्वाधिक ध्रुवीकरणक्षमता असलेला मॉडेल रेणू 3PVA-(C10)2NaAlg−5Gly आहे, तर सर्वात कमी ध्रुवीकरणक्षमता असलेला मॉडेल रेणू 3PVA-(C10)2NaAlg आहे, जो 29.690 Å आहे.
QSAR वर्णनकर्त्यांच्या मूल्यांकनातून असे दिसून आले की 3PVA-(C10)2NaAlg −5Gly दर्शविणारी रचना पहिल्या प्रस्तावित परस्परसंवादासाठी सर्वात प्रतिक्रियाशील आहे.
PVA ट्रिमर आणि NaAlg डायमरमधील दुसऱ्या परस्परसंवाद मोडसाठी, निकाल दर्शवितात की त्यांचे शुल्क पहिल्या परस्परसंवादासाठी मागील विभागात प्रस्तावित केलेल्या शुल्कांसारखेच आहेत. सर्व संरचनांमध्ये शून्य इलेक्ट्रॉनिक शुल्क असते, याचा अर्थ ते सर्व जमिनीच्या स्थितीत असतात.
तक्ता ४ मध्ये दाखवल्याप्रमाणे, टर्म १ Na Alg − ३PVA-मध्य १ Na Alg चे TDM मूल्ये (PM6 पातळीवर मोजली जातात) ११.५८१ डेब्ये वरून १५.७५६, १९.७२०, २१.७५६, २२.७३२, १५.५०७ आणि १५.७५६ पर्यंत वाढली जेव्हा टर्म १ Na Alg − ३PVA-मध्य १ Na Alg ने १, २, ३, ४, ५ आणि ६ युनिट्स ग्लिसरॉलसह प्रतिक्रिया दिली. तथापि, ग्लिसरॉल युनिट्सची संख्या वाढल्याने एकूण ऊर्जा कमी होते आणि जेव्हा टर्म 1 Na Alg − 3PVA- मध्य 1 Na Alg विशिष्ट संख्येच्या ग्लिसरॉल युनिट्सशी (1 ते 6) संवाद साधते तेव्हा एकूण ऊर्जा अनुक्रमे − 996.985, − 1129.013, − 1267.211, − 1321.775, − 1418.964 आणि − 1637.432 eV असते.
दुसऱ्या परस्परसंवाद संभाव्यतेसाठी, IP, Log P आणि ध्रुवीकरणक्षमता देखील सिद्धांताच्या PM6 पातळीवर मोजली जाते. म्हणून, त्यांनी आण्विक अभिक्रियाचे तीन सर्वात शक्तिशाली वर्णनक मानले. 1, 2, 3, 4, 5 आणि 6 ग्लिसरॉल युनिट्सशी संवाद साधणाऱ्या End 1 Na Alg-3PVA-Mid 1 Na Alg चे प्रतिनिधित्व करणाऱ्या रचनांसाठी, IP −9.385 eV वरून −8.946, −8.848, −8.430, −9.537, −7.997 आणि −8.900 eV पर्यंत वाढतो. तथापि, ग्लिसरॉलसह End 1 Na Alg-3PVA-Mid 1 Na Alg चे प्लास्टिसायझेशनमुळे गणना केलेले Log P मूल्य कमी होते. ग्लिसरॉलचे प्रमाण १ ते ६ पर्यंत वाढत असताना, त्याची मूल्ये -३.६४३ ऐवजी -५.३३४, -६.४१५, -७.४९६, -९.०९६, -९.८६१ आणि -१०.५३ होतात. शेवटी, ध्रुवीकरणक्षमता डेटावरून असे दिसून आले की ग्लिसरॉलचे प्रमाण वाढल्याने टर्म १ ना अल्ग- ३पीव्हीए- मिड १ ना अल्गची ध्रुवीकरणक्षमता वाढली. मॉडेल रेणू टर्म १ ना अल्ग- ३पीव्हीए- मिड १ ना अल्गची ध्रुवीकरणक्षमता ६ ग्लिसरॉल युनिट्सशी संवाद साधल्यानंतर ३१.७०३ Å वरून ६३.१९८ Å पर्यंत वाढली. हे लक्षात घेणे महत्त्वाचे आहे की दुसऱ्या परस्परसंवाद संभाव्यतेमध्ये ग्लिसरॉल युनिट्सची संख्या वाढवणे हे पुष्टी करण्यासाठी केले जाते की मोठ्या संख्येने अणू आणि जटिल रचना असूनही, ग्लिसरॉलचे प्रमाण वाढल्याने कामगिरी अजूनही सुधारते. अशाप्रकारे, असे म्हणता येईल की उपलब्ध पीव्हीए/ना अल्ग/ग्लिसरीन मॉडेल अंशतः लिथियम-आयन बॅटरीची जागा घेऊ शकते, परंतु अधिक संशोधन आणि विकास आवश्यक आहे.
पृष्ठभागाची शोषकांना बांधण्याची क्षमता दर्शविण्याकरिता आणि प्रणालींमधील अद्वितीय परस्परसंवादांचे मूल्यांकन करण्यासाठी कोणत्याही दोन अणूंमधील अस्तित्वात असलेल्या बंधाचा प्रकार, आंतरआण्विक आणि आंतरआण्विक परस्परसंवादांची जटिलता आणि पृष्ठभाग आणि शोषक यांच्या इलेक्ट्रॉन घनतेचे वितरण यांचे ज्ञान आवश्यक आहे. QTAIM विश्लेषणात बंध शक्तीचे मूल्यांकन करण्यासाठी परस्परसंवादी अणूंमधील बंध क्रिटिकल पॉइंट (BCP) वर इलेक्ट्रॉन घनता महत्त्वाची आहे. इलेक्ट्रॉन चार्ज घनता जितकी जास्त असेल तितकी सहसंयोजक परस्परसंवाद अधिक स्थिर असेल आणि सर्वसाधारणपणे, या गंभीर बिंदूंवर इलेक्ट्रॉन घनता जास्त असेल. शिवाय, जर एकूण इलेक्ट्रॉन ऊर्जा घनता (H(r)) आणि लॅप्लेस चार्ज घनता (∇2ρ(r)) दोन्ही 0 पेक्षा कमी असतील, तर हे सहसंयोजक (सामान्य) परस्परसंवादांची उपस्थिती दर्शवते. दुसरीकडे, जेव्हा ∇2ρ(r) आणि H(r) 0.54 पेक्षा जास्त असतात, तेव्हा ते कमकुवत हायड्रोजन बंध, व्हॅन डेर वाल्स बल आणि इलेक्ट्रोस्टॅटिक परस्परसंवाद यासारख्या गैर-सहसंयोजक (बंद कवच) परस्परसंवादांची उपस्थिती दर्शवते. QTAIM विश्लेषणाने आकृती 7 आणि 8 मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे अभ्यासलेल्या संरचनांमध्ये गैर-सहसंयोजक परस्परसंवादाचे स्वरूप उघड केले. विश्लेषणाच्या आधारे, 3PVA − 2Na Alg आणि टर्म 1 Na Alg − 3PVA – मध्य 1 Na Alg चे प्रतिनिधित्व करणारे मॉडेल रेणू वेगवेगळ्या ग्लाइसिन युनिट्सशी संवाद साधणाऱ्या रेणूंपेक्षा जास्त स्थिरता दर्शवितात. याचे कारण असे की अल्जिनेट रचनेत अधिक प्रचलित असलेले अनेक गैर-सहसंयोजक परस्परसंवाद जसे की इलेक्ट्रोस्टॅटिक परस्परसंवाद आणि हायड्रोजन बंध अल्जिनेटला संमिश्र स्थिर करण्यास सक्षम करतात. शिवाय, आमचे निकाल 3PVA − 2Na Alg आणि टर्म 1 Na Alg − 3PVA – मध्य 1 Na Alg मॉडेल रेणू आणि ग्लाइसिन यांच्यातील गैर-सहसंयोजक परस्परसंवादाचे महत्त्व दर्शवितात, जे दर्शविते की ग्लाइसिन संमिश्रांच्या एकूण इलेक्ट्रॉनिक वातावरणात बदल करण्यात महत्त्वाची भूमिका बजावते.
(a) 0 Gly, (b) 1 Gly, (c) 2 Gly, (d) 3 Gly, (e) 4 Gly आणि (f) 5Gly शी संवाद साधणाऱ्या मॉडेल रेणू 3PVA − 2NaAlg चे QTAIM विश्लेषण.