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सोडियम के प्रचुर संसाधन के कारण, सोडियम-आयन बैटरी (एनआईबी) विद्युत रासायनिक ऊर्जा भंडारण के लिए एक आशाजनक वैकल्पिक समाधान प्रस्तुत करती हैं। वर्तमान में, एनआईबी तकनीक के विकास में मुख्य बाधा ऐसे इलेक्ट्रोड पदार्थों की कमी है जो लंबे समय तक सोडियम आयनों को उत्क्रमणीय रूप से संग्रहित/मुक्त कर सकें। इसलिए, इस अध्ययन का उद्देश्य एनआईबी इलेक्ट्रोड पदार्थों के रूप में पॉलीविनाइल अल्कोहल (पीवीए) और सोडियम एल्जिनेट (NaAlg) के मिश्रण पर ग्लिसरॉल के योग के प्रभाव का सैद्धांतिक रूप से अध्ययन करना है। यह अध्ययन पीवीए, सोडियम एल्जिनेट और ग्लिसरॉल के मिश्रण पर आधारित बहुलक इलेक्ट्रोलाइट्स के इलेक्ट्रॉनिक, तापीय और मात्रात्मक संरचना-गतिविधि संबंध (क्यूएसएआर) विवरणों पर केंद्रित है। इन गुणों का अध्ययन अर्ध-अनुभवजन्य विधियों और घनत्व कार्यात्मक सिद्धांत (डीएफटी) का उपयोग करके किया गया है। चूंकि संरचनात्मक विश्लेषण ने पीवीए/एल्जिनेट और ग्लिसरॉल के बीच अंतःक्रियाओं के विवरण को उजागर किया, इसलिए बैंड गैप ऊर्जा (ईजी) का अध्ययन किया गया। परिणामों से पता चलता है कि ग्लिसरॉल के योग से ईजी का मान घटकर 0.2814 ईवी हो जाता है। आणविक इलेक्ट्रोस्टैटिक पोटेंशियल सतह (MESP) संपूर्ण इलेक्ट्रोलाइट प्रणाली में इलेक्ट्रॉन-समृद्ध और इलेक्ट्रॉन-गरीब क्षेत्रों तथा आणविक आवेशों के वितरण को दर्शाती है। अध्ययन किए गए ऊष्मीय मापदंडों में एन्थैल्पी (H), एंट्रॉपी (ΔS), ऊष्मा क्षमता (Cp), गिब्स मुक्त ऊर्जा (G) और निर्माण ऊष्मा शामिल हैं। इसके अतिरिक्त, इस अध्ययन में कई मात्रात्मक संरचना-गतिविधि संबंध (QSAR) वर्णकों जैसे कुल द्विध्रुव आघूर्ण (TDM), कुल ऊर्जा (E), आयनीकरण विभव (IP), लॉग P और ध्रुवीकरण क्षमता का भी अध्ययन किया गया। परिणामों से पता चला कि तापमान और ग्लिसरॉल की मात्रा बढ़ने के साथ H, ΔS, Cp, G और TDM में वृद्धि हुई। वहीं, निर्माण ऊष्मा, IP और E में कमी आई, जिससे प्रतिक्रियाशीलता और ध्रुवीकरण क्षमता में सुधार हुआ। इसके अतिरिक्त, ग्लिसरॉल मिलाने से सेल वोल्टेज बढ़कर 2.488 V हो गया। लागत प्रभावी PVA/Na Alg ग्लिसरॉल-आधारित इलेक्ट्रोलाइट्स पर आधारित DFT और PM6 गणनाओं से पता चलता है कि उनकी बहुकार्यक्षमता के कारण वे लिथियम-आयन बैटरी को आंशिक रूप से प्रतिस्थापित कर सकते हैं, लेकिन आगे सुधार और अनुसंधान की आवश्यकता है।
हालांकि लिथियम-आयन बैटरी (LIBs) का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है, लेकिन इनकी कम चक्र अवधि, उच्च लागत और सुरक्षा संबंधी चिंताओं के कारण इनके अनुप्रयोग में कई सीमाएँ हैं। सोडियम-आयन बैटरी (SIBs) व्यापक उपलब्धता, कम लागत और सोडियम तत्व की गैर-विषाक्तता के कारण LIBs का एक व्यवहार्य विकल्प बन सकती हैं। सोडियम-आयन बैटरी (SIBs) विद्युत रासायनिक उपकरणों के लिए एक तेजी से महत्वपूर्ण ऊर्जा भंडारण प्रणाली बनती जा रही हैं। सोडियम-आयन बैटरी आयन परिवहन को सुगम बनाने और विद्युत धारा उत्पन्न करने के लिए इलेक्ट्रोलाइट्स पर बहुत अधिक निर्भर करती हैं। तरल इलेक्ट्रोलाइट्स मुख्य रूप से धातु लवणों और कार्बनिक विलायकों से बने होते हैं। व्यावहारिक अनुप्रयोगों के लिए तरल इलेक्ट्रोलाइट्स की सुरक्षा पर सावधानीपूर्वक विचार करना आवश्यक है, विशेष रूप से जब बैटरी ऊष्मीय या विद्युत तनाव के अधीन हो।
सोडियम-आयन बैटरी (एसआईबी) से निकट भविष्य में लिथियम-आयन बैटरी के स्थान पर उपयोग होने की उम्मीद है, क्योंकि ये महासागरों में प्रचुर मात्रा में उपलब्ध हैं, विषैली नहीं हैं और इनकी सामग्री लागत कम है। नैनोमैटेरियल्स के संश्लेषण ने डेटा स्टोरेज, इलेक्ट्रॉनिक और ऑप्टिकल उपकरणों के विकास को गति दी है। कई शोधों में सोडियम-आयन बैटरी में विभिन्न नैनोसंरचनाओं (जैसे, धातु ऑक्साइड, ग्राफीन, नैनोट्यूब और फुलरीन) के अनुप्रयोग को दर्शाया गया है। शोध में सोडियम-आयन बैटरी के लिए एनोड सामग्री, जिनमें पॉलिमर भी शामिल हैं, के विकास पर ध्यान केंद्रित किया गया है, क्योंकि ये बहुमुखी और पर्यावरण के अनुकूल हैं। रिचार्जेबल पॉलिमर बैटरी के क्षेत्र में शोध की रुचि निस्संदेह बढ़ेगी। अद्वितीय संरचनाओं और गुणों वाली नई पॉलिमर इलेक्ट्रोड सामग्री पर्यावरण के अनुकूल ऊर्जा भंडारण प्रौद्योगिकियों का मार्ग प्रशस्त कर सकती हैं। हालांकि सोडियम-आयन बैटरी में उपयोग के लिए विभिन्न पॉलिमर इलेक्ट्रोड सामग्रियों का अध्ययन किया गया है, फिर भी यह क्षेत्र अभी भी विकास के प्रारंभिक चरण में है। सोडियम-आयन बैटरी के लिए, विभिन्न संरचनात्मक विन्यासों वाली अधिक पॉलिमर सामग्रियों का अध्ययन करना आवश्यक है। पॉलिमर इलेक्ट्रोड सामग्रियों में सोडियम आयनों के भंडारण तंत्र के बारे में हमारे वर्तमान ज्ञान के आधार पर, यह परिकल्पना की जा सकती है कि संयुग्मित प्रणाली में कार्बोनिल समूह, मुक्त कण और हेटरोएटम सोडियम आयनों के साथ परस्पर क्रिया के लिए सक्रिय स्थल के रूप में कार्य कर सकते हैं। इसलिए, इन सक्रिय स्थलों के उच्च घनत्व वाले नए पॉलिमर विकसित करना महत्वपूर्ण है। जेल पॉलिमर इलेक्ट्रोलाइट (जीपीई) एक वैकल्पिक तकनीक है जो बैटरी की विश्वसनीयता, आयन चालकता, रिसाव रहितता, उच्च लचीलापन और बेहतर प्रदर्शन को बेहतर बनाती है।12
पॉलिमर मैट्रिक्स में पीवीए और पॉलीइथिलीन ऑक्साइड (पीईओ) जैसे पदार्थ शामिल हैं।13 जेल पारगम्य पॉलिमर (जीपीई) पॉलिमर मैट्रिक्स में तरल इलेक्ट्रोलाइट को स्थिर करता है, जिससे व्यावसायिक विभाजकों की तुलना में रिसाव का जोखिम कम हो जाता है।14 पीवीए एक सिंथेटिक जैव-अपघटनीय पॉलिमर है। इसकी पारगम्यता उच्च होती है, यह सस्ता और गैर-विषाक्त होता है। यह पदार्थ अपने फिल्म-निर्माण गुणों, रासायनिक स्थिरता और आसंजन के लिए जाना जाता है। इसमें कार्यात्मक (ओएच) समूह और उच्च क्रॉस-लिंकिंग क्षमता घनत्व भी होता है।15,16,17 पीवीए-आधारित पॉलिमर इलेक्ट्रोलाइट्स की चालकता में सुधार करने, मैट्रिक्स क्रिस्टलीयता को कम करने और श्रृंखला लचीलेपन को बढ़ाने के लिए पॉलिमर मिश्रण, प्लास्टिसाइज़र का योग, कंपोजिट का योग और इन सीटू पॉलीमराइजेशन तकनीकों का उपयोग किया गया है।18,19,20
औद्योगिक अनुप्रयोगों के लिए बहुलक सामग्री विकसित करने हेतु मिश्रण एक महत्वपूर्ण विधि है। बहुलक मिश्रणों का उपयोग अक्सर निम्न उद्देश्यों के लिए किया जाता है: (1) औद्योगिक अनुप्रयोगों में प्राकृतिक बहुलकों के प्रसंस्करण गुणों में सुधार करना; (2) जैव-अपघटनीय सामग्रियों के रासायनिक, भौतिक और यांत्रिक गुणों में सुधार करना; और (3) खाद्य पैकेजिंग उद्योग में नई सामग्रियों की तेजी से बदलती मांग के अनुरूप ढलना। सह-बहुलकीकरण के विपरीत, बहुलक मिश्रण एक कम लागत वाली प्रक्रिया है जो वांछित गुणों को प्राप्त करने के लिए जटिल रासायनिक प्रक्रियाओं के बजाय सरल भौतिक प्रक्रियाओं का उपयोग करती है।21 समरूप बहुलक बनाने के लिए, विभिन्न बहुलक द्विध्रुव-द्विध्रुव बलों, हाइड्रोजन बंधों या आवेश-स्थानांतरण परिसरों के माध्यम से परस्पर क्रिया कर सकते हैं।22,23 प्राकृतिक और संश्लेषित बहुलकों से बने मिश्रण उत्कृष्ट यांत्रिक गुणों के साथ अच्छी जैव-अनुकूलता का संयोजन कर सकते हैं, जिससे कम उत्पादन लागत पर एक बेहतर सामग्री का निर्माण होता है।24,25 इसलिए, संश्लेषित और प्राकृतिक बहुलकों को मिलाकर जैव-प्रासंगिक बहुलक सामग्री बनाने में काफी रुचि रही है। पीवीए को सोडियम एल्गिनेट (NaAlg), सेल्युलोज, चिटोसन और स्टार्च के साथ मिलाया जा सकता है।26
सोडियम एल्जिनेट एक प्राकृतिक बहुलक और समुद्री भूरे शैवाल से निकाला गया एक आयनिक पॉलीसेकेराइड है। सोडियम एल्जिनेट में β-(1-4)-लिंक्ड D-मैन्यूरॉनिक अम्ल (M) और α-(1-4)-लिंक्ड L-गुलुरोनिक अम्ल (G) होते हैं, जो समरूप बहुलक रूपों (पॉली-M और पॉली-G) और विषम बहुलक ब्लॉकों (MG या GM)27 में व्यवस्थित होते हैं। M और G ब्लॉकों की मात्रा और सापेक्ष अनुपात एल्जिनेट के रासायनिक और भौतिक गुणों पर महत्वपूर्ण प्रभाव डालते हैं28,29। सोडियम एल्जिनेट का व्यापक रूप से उपयोग और अध्ययन इसकी जैवअपघटनीयता, जैव अनुकूलता, कम लागत, अच्छे फिल्म निर्माण गुणों और गैर-विषाक्तता के कारण किया जाता है। हालांकि, एल्जिनेट श्रृंखला में बड़ी संख्या में मुक्त हाइड्रॉक्सिल (OH) और कार्बोक्सिलेट (COO) समूह इसे अत्यधिक जल-प्रेमी बनाते हैं। हालांकि, अपनी भंगुरता और कठोरता के कारण एल्जिनेट के यांत्रिक गुण खराब होते हैं। इसलिए, एल्जिनेट को पानी की संवेदनशीलता और यांत्रिक गुणों में सुधार के लिए अन्य सिंथेटिक सामग्रियों के साथ जोड़ा जा सकता है30,31।
नए इलेक्ट्रोड पदार्थों को डिजाइन करने से पहले, नए पदार्थों के निर्माण की व्यवहार्यता का मूल्यांकन करने के लिए अक्सर डीएफटी गणनाओं का उपयोग किया जाता है। इसके अलावा, वैज्ञानिक प्रयोगात्मक परिणामों की पुष्टि और भविष्यवाणी करने, समय बचाने, रासायनिक अपशिष्ट को कम करने और अंतःक्रिया व्यवहार की भविष्यवाणी करने के लिए आणविक मॉडलिंग का उपयोग करते हैं।32 आणविक मॉडलिंग कई क्षेत्रों में विज्ञान की एक शक्तिशाली और महत्वपूर्ण शाखा बन गई है, जिसमें पदार्थ विज्ञान, नैनो पदार्थ, कम्प्यूटेशनल रसायन विज्ञान और औषधि खोज शामिल हैं।33,34 मॉडलिंग प्रोग्रामों का उपयोग करके, वैज्ञानिक ऊर्जा (निर्माण की ऊष्मा, आयनीकरण क्षमता, सक्रियण ऊर्जा, आदि) और ज्यामिति (बंध कोण, बंध लंबाई और मरोड़ कोण) सहित आणविक डेटा सीधे प्राप्त कर सकते हैं।35 इसके अलावा, इलेक्ट्रॉनिक गुण (आवेश, होमो और लूमो बैंड गैप ऊर्जा, इलेक्ट्रॉन बंधुता), वर्णक्रमीय गुण (विशेष कंपन मोड और तीव्रता जैसे एफटीआईआर स्पेक्ट्रा), और थोक गुण (आयतन, प्रसार, श्यानता, मापांक, आदि)36 की गणना की जा सकती है।
LiNiPO4 अपनी उच्च ऊर्जा घनत्व (लगभग 5.1 V का कार्यशील वोल्टेज) के कारण लिथियम-आयन बैटरी के धनात्मक इलेक्ट्रोड पदार्थों के साथ प्रतिस्पर्धा करने में संभावित लाभ प्रदर्शित करता है। उच्च-वोल्टेज क्षेत्र में LiNiPO4 के लाभ का पूर्ण उपयोग करने के लिए, कार्यशील वोल्टेज को कम करना आवश्यक है क्योंकि वर्तमान में विकसित उच्च-वोल्टेज इलेक्ट्रोलाइट केवल 4.8 V से कम वोल्टेज पर ही अपेक्षाकृत स्थिर रह सकता है। झांग एट अल. ने LiNiPO4 के Ni स्थल में सभी 3d, 4d और 5d संक्रमण धातुओं की डोपिंग का अध्ययन किया, उत्कृष्ट विद्युत रासायनिक प्रदर्शन वाले डोपिंग पैटर्न का चयन किया और LiNiPO4 के विद्युत रासायनिक प्रदर्शन की सापेक्ष स्थिरता को बनाए रखते हुए इसके कार्यशील वोल्टेज को समायोजित किया। Ti, Nb और Ta-डोप्ड LiNiPO4 के लिए उनके द्वारा प्राप्त न्यूनतम कार्यशील वोल्टेज क्रमशः 4.21, 3.76 और 3.5037 थे।
इसलिए, इस अध्ययन का उद्देश्य रिचार्जेबल आयन-आयन बैटरी में इसके अनुप्रयोग के लिए क्वांटम यांत्रिक गणनाओं का उपयोग करते हुए, प्लास्टिसाइज़र के रूप में ग्लिसरॉल के प्रभाव का पीवीए/एनएलजी प्रणाली के इलेक्ट्रॉनिक गुणों, क्यूएसएआर डिस्क्रिप्टर और थर्मल गुणों पर सैद्धांतिक रूप से अध्ययन करना है। पीवीए/एनएलजी मॉडल और ग्लिसरॉल के बीच आणविक अंतःक्रियाओं का विश्लेषण बैडर के क्वांटम परमाणु अणु सिद्धांत (क्यूटीएआईएम) का उपयोग करके किया गया।
पीवीए और NaAlg तथा फिर ग्लिसरॉल की परस्पर क्रिया को दर्शाने वाले एक अणु मॉडल को डीएफटी का उपयोग करके अनुकूलित किया गया। इस मॉडल की गणना काहिरा, मिस्र स्थित राष्ट्रीय अनुसंधान केंद्र के स्पेक्ट्रोस्कोपी विभाग में गॉसियन 0938 सॉफ़्टवेयर का उपयोग करके की गई। मॉडल को B3LYP/6-311G(d, p) स्तर39,40,41,42 पर डीएफटी का उपयोग करके अनुकूलित किया गया। अध्ययन किए गए मॉडलों के बीच परस्पर क्रिया को सत्यापित करने के लिए, सिद्धांत के समान स्तर पर किए गए आवृत्ति अध्ययनों से अनुकूलित ज्यामिति की स्थिरता प्रदर्शित होती है। सभी मूल्यांकित आवृत्तियों में ऋणात्मक आवृत्तियों की अनुपस्थिति विभव ऊर्जा सतह पर वास्तविक धनात्मक न्यूनतम में अनुमानित संरचना को उजागर करती है। टीडीएम, होमो/लुमो बैंड गैप ऊर्जा और एमईएसपी जैसे भौतिक मापदंडों की गणना सिद्धांत के समान क्वांटम यांत्रिकी स्तर पर की गई। इसके अतिरिक्त, अंतिम निर्माण ऊष्मा, मुक्त ऊर्जा, एन्ट्रॉपी, एन्थैल्पी और ऊष्मा क्षमता जैसे कुछ ऊष्मीय मापदंडों की गणना तालिका 1 में दिए गए सूत्रों का उपयोग करके की गई। अध्ययन किए गए मॉडलों को अणुओं में परमाणुओं के क्वांटम सिद्धांत (QTAIM) विश्लेषण के अधीन किया गया ताकि अध्ययन की गई संरचनाओं की सतह पर होने वाली अंतःक्रियाओं की पहचान की जा सके। ये गणनाएँ गॉसियन 09 सॉफ़्टवेयर कोड में “output=wfn” कमांड का उपयोग करके की गईं और फिर एवोगैड्रो सॉफ़्टवेयर कोड43 का उपयोग करके दृश्य रूप में प्रदर्शित की गईं।
जहां E आंतरिक ऊर्जा है, P दाब है, V आयतन है, Q प्रणाली और उसके वातावरण के बीच ऊष्मा विनिमय है, T तापमान है, ΔH एन्थैल्पी परिवर्तन है, ΔG मुक्त ऊर्जा परिवर्तन है, ΔS एन्ट्रॉपी परिवर्तन है, a और b कंपन पैरामीटर हैं, q परमाणु आवेश है, और C परमाणु इलेक्ट्रॉन घनत्व है44,45। अंत में, इन्हीं संरचनाओं को अनुकूलित किया गया और QSAR पैरामीटर की गणना PM6 स्तर पर SCIGRESS सॉफ्टवेयर कोड46 का उपयोग करके काहिरा, मिस्र में राष्ट्रीय अनुसंधान केंद्र के स्पेक्ट्रोस्कोपी विभाग में की गई।
हमारे पिछले शोधपत्र47 में, हमने तीन PVA इकाइयों और दो NaAlg इकाइयों की परस्पर क्रिया का वर्णन करने वाले सबसे संभावित मॉडल का मूल्यांकन किया, जिसमें ग्लिसरॉल एक प्लास्टिसाइज़र के रूप में कार्य करता है। जैसा कि ऊपर उल्लेख किया गया है, PVA और NaAlg की परस्पर क्रिया की दो संभावनाएं हैं। दो मॉडल, जिन्हें 3PVA-2Na Alg (कार्बन संख्या 10 के आधार पर) और Term 1Na Alg-3PVA-Mid 1Na Alg नाम दिया गया है, अन्य संरचनाओं की तुलना में सबसे कम ऊर्जा अंतर मान48 रखते हैं। इसलिए, PVA/Na Alg मिश्रण बहुलक के सबसे संभावित मॉडल पर ग्लाइसिन के योग के प्रभाव की जांच बाद की दो संरचनाओं का उपयोग करके की गई: 3PVA-(C10)2Na Alg (सरलता के लिए 3PVA-2Na Alg कहा गया है) और Term 1 Na Alg − 3PVA-Mid 1 Na Alg। साहित्य के अनुसार, PVA, NaAlg और ग्लिसरॉल केवल हाइड्रॉक्सिल कार्यात्मक समूहों के बीच कमजोर हाइड्रोजन बंध बना सकते हैं। चूंकि पीवीए ट्राइमर और NaAlg तथा ग्लिसरॉल डाइमर दोनों में कई OH समूह होते हैं, इसलिए संपर्क इनमें से किसी एक OH समूह के माध्यम से हो सकता है। चित्र 1 में मॉडल ग्लिसरॉल अणु और मॉडल अणु 3PVA-2Na Alg के बीच की परस्पर क्रिया को दर्शाया गया है, और चित्र 2 में मॉडल अणु Term 1Na Alg-3PVA-Mid 1Na Alg तथा ग्लिसरॉल की विभिन्न सांद्रताओं के बीच की परस्पर क्रिया का निर्मित मॉडल दर्शाया गया है।
अनुकूलित संरचनाएं: (a) ग्लाइसिन और 3पीवीए − 2ना एल्जी (b) 1 ग्लाइसिन, (c) 2 ग्लाइसिन, (d) 3 ग्लाइसिन, (e) 4 ग्लाइसिन, और (f) 5 ग्लाइसिन के साथ परस्पर क्रिया करते हैं।
टर्म 1Na Alg- 3PVA –मिड 1Na Alg की अनुकूलित संरचनाएं (a) 1 Gly, (b) 2 Gly, (c) 3 Gly, (d) 4 Gly, (e) 5 Gly, और (f) 6 Gly के साथ परस्पर क्रिया करती हैं।
किसी भी इलेक्ट्रोड पदार्थ की प्रतिक्रियाशीलता का अध्ययन करते समय इलेक्ट्रॉन बैंड गैप ऊर्जा एक महत्वपूर्ण पैरामीटर है। क्योंकि यह पदार्थ में बाहरी परिवर्तनों के होने पर इलेक्ट्रॉनों के व्यवहार का वर्णन करता है। इसलिए, अध्ययन की गई सभी संरचनाओं के लिए HOMO/LUMO की इलेक्ट्रॉन बैंड गैप ऊर्जा का अनुमान लगाना आवश्यक है। तालिका 2 ग्लिसरॉल के योग के कारण 3PVA-(C10)2Na Alg और Term 1Na Alg − 3PVA- Mid 1Na Alg की HOMO/LUMO ऊर्जा में परिवर्तन दर्शाती है। संदर्भ 47 के अनुसार, 3PVA-(C10)2Na Alg का Eg मान 0.2908 eV है, जबकि दूसरी अंतःक्रिया की संभावना को दर्शाने वाली संरचना (अर्थात, Term 1Na Alg − 3PVA- Mid 1Na Alg) का Eg मान 0.5706 eV है।
हालांकि, यह पाया गया कि ग्लिसरॉल मिलाने से 3PVA-(C10)2Na Alg के Eg मान में मामूली बदलाव आया। जब 3PVA-(C10)2NaAlg ने 1, 2, 3, 4 और 5 ग्लिसरॉल इकाइयों के साथ परस्पर क्रिया की, तो इसके Eg मान क्रमशः 0.302, 0.299, 0.308, 0.289 और 0.281 eV हो गए। हालांकि, एक महत्वपूर्ण जानकारी यह है कि 3 ग्लिसरॉल इकाइयाँ जोड़ने के बाद, Eg मान 3PVA-(C10)2Na Alg की तुलना में कम हो गया। 3PVA-(C10)2Na Alg की पाँच ग्लिसरॉल इकाइयों के साथ परस्पर क्रिया को दर्शाने वाला मॉडल सबसे संभावित परस्पर क्रिया मॉडल है। इसका अर्थ है कि ग्लिसरॉल इकाइयों की संख्या बढ़ने के साथ-साथ परस्पर क्रिया की संभावना भी बढ़ती है।
इस बीच, अंतःक्रिया की दूसरी संभावना के लिए, टर्म 1Na Alg − 3PVA –Mid 1Na Alg- 1Gly, टर्म 1Na Alg − 3PVA –Mid 1Na Alg- 2Gly, टर्म 1Na Alg − 3PVA –Mid 1Na Alg- 3Gly, टर्म 1Na Alg − 3PVA –Mid 1Na Alg- 4Gly, टर्म 1Na Alg − 3PVA –Mid 1Na Alg- 5Gly और टर्म 1Na Alg − 3PVA –Mid 1Na Alg- 6Gly का प्रतिनिधित्व करने वाले मॉडल अणुओं की HOMO/LUMO ऊर्जाएँ क्रमशः 1.343, 1.347, 0.976, 0.607, 0.348 और 0.496 eV हो जाती हैं। तालिका 2 सभी संरचनाओं के लिए परिकलित HOMO/LUMO बैंड गैप ऊर्जा दर्शाती है। इसके अलावा, पहले समूह की अंतःक्रिया संभावनाओं का वही व्यवहार यहाँ भी दोहराया गया है।
ठोस अवस्था भौतिकी में बैंड सिद्धांत कहता है कि जैसे-जैसे इलेक्ट्रोड पदार्थ का बैंड गैप घटता है, पदार्थ की इलेक्ट्रॉनिक चालकता बढ़ती है। सोडियम-आयन कैथोड पदार्थों के बैंड गैप को कम करने के लिए डोपिंग एक सामान्य विधि है। जियांग एट अल. ने β-NaMnO2 परतदार पदार्थों की इलेक्ट्रॉनिक चालकता को बेहतर बनाने के लिए Cu डोपिंग का उपयोग किया। डीएफटी गणनाओं का उपयोग करते हुए, उन्होंने पाया कि डोपिंग से पदार्थ का बैंड गैप 0.7 eV से घटकर 0.3 eV हो गया। यह दर्शाता है कि Cu डोपिंग β-NaMnO2 पदार्थ की इलेक्ट्रॉनिक चालकता को बेहतर बनाता है।
MESP को आणविक आवेश वितरण और एकल धनात्मक आवेश के बीच अंतःक्रिया ऊर्जा के रूप में परिभाषित किया जाता है। MESP को रासायनिक गुणों और प्रतिक्रियाशीलता को समझने और उनकी व्याख्या करने के लिए एक प्रभावी उपकरण माना जाता है। MESP का उपयोग बहुलक पदार्थों के बीच अंतःक्रियाओं के तंत्र को समझने के लिए किया जा सकता है। MESP अध्ययनाधीन यौगिक के भीतर आवेश वितरण का वर्णन करता है। इसके अतिरिक्त, MESP अध्ययनाधीन पदार्थों में सक्रिय स्थलों के बारे में जानकारी प्रदान करता है।32 चित्र 3 में 3PVA-(C10) 2Na Alg, 3PVA-(C10) 2Na Alg − 1Gly, 3PVA-(C10) 2Na Alg − 2Gly, 3PVA-(C10) 2Na Alg − 3Gly, 3PVA-(C10) 2Na Alg − 4Gly, और 3PVA-(C10) 2Na Alg − 5Gly के MESP प्लॉट दिखाए गए हैं, जिनका अनुमान B3LYP/6-311G(d, p) सिद्धांत स्तर पर लगाया गया है।
(a) ग्लाइसिन और 3पीवीए − 2ना एल्जी के साथ परस्पर क्रिया करने वाले (b) 1 ग्लाइसिन, (c) 2 ग्लाइसिन, (d) 3 ग्लाइसिन, (e) 4 ग्लाइसिन और (f) 5 ग्लाइसिन के लिए B3LYP/6-311 g(d, p) के साथ गणना किए गए MESP कंटूर।
इस बीच, चित्र 4 में क्रमशः 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 और Term 1Na Alg-3PVA – Mid 1Na Alg − 6Gly के लिए MESP के परिकलित परिणाम दर्शाए गए हैं। परिकलित MESP को एक कंटूर व्यवहार के रूप में दर्शाया गया है। कंटूर रेखाओं को विभिन्न रंगों से दर्शाया गया है। प्रत्येक रंग एक अलग विद्युतऋणात्मकता मान को दर्शाता है। लाल रंग अत्यधिक विद्युतऋणात्मक या प्रतिक्रियाशील स्थलों को इंगित करता है। इस बीच, पीला रंग संरचना में तटस्थ स्थलों 49, 50, 51 को दर्शाता है। MESP परिणामों से पता चला कि 3PVA-(C10)2Na Alg की प्रतिक्रियाशीलता अध्ययन किए गए मॉडलों के आसपास लाल रंग की वृद्धि के साथ बढ़ती है। वहीं, Term 1Na Alg-3PVA – Mid 1Na Alg मॉडल अणु के MESP मानचित्र में लाल रंग की तीव्रता विभिन्न ग्लिसरॉल सामग्री के साथ परस्पर क्रिया के कारण कम हो जाती है। प्रस्तावित संरचना के आसपास लाल रंग के वितरण में परिवर्तन प्रतिक्रियाशीलता को दर्शाता है, जबकि तीव्रता में वृद्धि ग्लिसरॉल सामग्री में वृद्धि के कारण 3PVA-(C10)2Na Alg मॉडल अणु की विद्युतऋणात्मकता में वृद्धि की पुष्टि करती है।
B3LYP/6-311 g(d, p) परिकलित MESP टर्म 1Na Alg-3PVA-Mid 1Na Alg के साथ अंतःक्रिया (a) 1 Gly, (b) 2 Gly, (c) 3 Gly, (d) 4 Gly, (e) 5 Gly, और (f) 6 Gly.
प्रस्तावित सभी संरचनाओं के तापीय मापदंड जैसे एन्थैल्पी, एंट्रॉपी, ऊष्मा क्षमता, मुक्त ऊर्जा और निर्माण ऊष्मा की गणना 200 K से 500 K के तापमान सीमा में विभिन्न तापमानों पर की गई है। भौतिक प्रणालियों के व्यवहार का वर्णन करने के लिए, उनके इलेक्ट्रॉनिक व्यवहार के अध्ययन के अतिरिक्त, उनके परस्पर क्रिया के कारण तापमान के फलन के रूप में उनके तापीय व्यवहार का अध्ययन करना भी आवश्यक है, जिसकी गणना तालिका 1 में दिए गए समीकरणों का उपयोग करके की जा सकती है। इन तापीय मापदंडों का अध्ययन विभिन्न तापमानों पर ऐसी भौतिक प्रणालियों की प्रतिक्रियाशीलता और स्थिरता का एक महत्वपूर्ण संकेतक माना जाता है।
पीवीए ट्राइमर की एन्थैल्पी की बात करें तो, यह पहले NaAlg डाइमर के साथ अभिक्रिया करता है, फिर कार्बन परमाणु #10 से जुड़े OH समूह के माध्यम से, और अंत में ग्लिसरॉल के साथ। एन्थैल्पी एक ऊष्मागतिक प्रणाली में ऊर्जा का माप है। एन्थैल्पी किसी प्रणाली में कुल ऊष्मा के बराबर होती है, जो प्रणाली की आंतरिक ऊर्जा और उसके आयतन तथा दाब के गुणनफल के योग के समतुल्य होती है। दूसरे शब्दों में, एन्थैल्पी यह दर्शाती है कि किसी पदार्थ में कितनी ऊष्मा और कार्य जोड़ा या हटाया गया है।52
चित्र 5 में 3PVA-(C10)2Na Alg की विभिन्न ग्लिसरॉल सांद्रता के साथ अभिक्रिया के दौरान एन्थैल्पी में परिवर्तन दर्शाया गया है। संक्षिप्ताक्षर A0, A1, A2, A3, A4 और A5 क्रमशः मॉडल अणुओं 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 और 3PVA-(C10)2Na Alg − 5Gly को दर्शाते हैं। चित्र 5a दर्शाता है कि तापमान और ग्लिसरॉल की मात्रा बढ़ने के साथ एन्थैल्पी भी बढ़ती है। 200 K पर 3PVA-(C10)2NaAlg − 5Gly (अर्थात A5) संरचना की एन्थैल्पी 27.966 कैलोरी/मोल है, जबकि 200 K पर 3PVA-2NaAlg संरचना की एन्थैल्पी 13.490 कैलोरी/मोल है। अंत में, चूंकि एन्थैल्पी धनात्मक है, इसलिए यह अभिक्रिया ऊष्माशोषी है।
एंट्रॉपी को एक बंद थर्मोडायनामिक प्रणाली में अनुपलब्ध ऊर्जा के माप के रूप में परिभाषित किया जाता है और इसे अक्सर प्रणाली की अव्यवस्था के माप के रूप में माना जाता है। चित्र 5b तापमान के साथ 3PVA-(C10)2NaAlg की एंट्रॉपी में परिवर्तन और विभिन्न ग्लिसरॉल इकाइयों के साथ इसकी परस्पर क्रिया को दर्शाता है। ग्राफ दर्शाता है कि तापमान 200 K से 500 K तक बढ़ने पर एंट्रॉपी रैखिक रूप से परिवर्तित होती है। चित्र 5b स्पष्ट रूप से दर्शाता है कि 3PVA-(C10)2Na Alg मॉडल की एंट्रॉपी 200 K पर 200 cal/K/mol की ओर प्रवृत्त होती है क्योंकि 3PVA-(C10)2Na Alg मॉडल में कम जाली अव्यवस्था होती है। तापमान बढ़ने पर, 3PVA-(C10)2Na Alg मॉडल अव्यवस्थित हो जाता है और बढ़ते तापमान के साथ एंट्रॉपी में वृद्धि को स्पष्ट करता है। इसके अलावा, यह स्पष्ट है कि 3PVA-C10 2Na Alg- 5 Gly की संरचना में उच्चतम एन्ट्रॉपी मान है।
चित्र 5c में भी यही व्यवहार देखा गया है, जो तापमान के साथ ऊष्मा धारिता में परिवर्तन दर्शाता है। ऊष्मा धारिता किसी पदार्थ की दी गई मात्रा के तापमान को 1 °C47 तक बदलने के लिए आवश्यक ऊष्मा की मात्रा है। चित्र 5c में 1, 2, 3, 4 और 5 ग्लिसरॉल इकाइयों के साथ अंतःक्रियाओं के कारण मॉडल अणु 3PVA-(C10)2NaAlg की ऊष्मा धारिता में परिवर्तन दर्शाया गया है। चित्र से पता चलता है कि मॉडल 3PVA-(C10)2NaAlg की ऊष्मा धारिता तापमान के साथ रैखिक रूप से बढ़ती है। तापमान में वृद्धि के साथ ऊष्मा धारिता में देखी गई वृद्धि का कारण फोनन तापीय कंपन है। इसके अतिरिक्त, इस बात के प्रमाण हैं कि ग्लिसरॉल की मात्रा बढ़ाने से मॉडल 3PVA-(C10)2NaAlg की ऊष्मा धारिता में वृद्धि होती है। साथ ही, संरचना से पता चलता है कि अन्य संरचनाओं की तुलना में 3PVA-(C10)2NaAlg−5Gly की ऊष्मा धारिता का मान सबसे अधिक है।
अध्ययन की गई संरचनाओं के लिए मुक्त ऊर्जा और अंतिम निर्माण ऊष्मा जैसे अन्य मापदंडों की गणना की गई और इन्हें क्रमशः चित्र 5d और 5e में दर्शाया गया है। अंतिम निर्माण ऊष्मा वह ऊष्मा है जो स्थिर दाब में किसी शुद्ध पदार्थ के उसके घटक तत्वों से निर्माण के दौरान मुक्त या अवशोषित होती है। मुक्त ऊर्जा को ऊर्जा के समान एक गुण के रूप में परिभाषित किया जा सकता है, अर्थात् इसका मान प्रत्येक ऊष्मागतिक अवस्था में पदार्थ की मात्रा पर निर्भर करता है। 3PVA-(C10)2NaAlg−5Gly की मुक्त ऊर्जा और निर्माण ऊष्मा सबसे कम थी, जो क्रमशः -1318.338 और -1628.154 किलो कैलोरी/मोल थी। इसके विपरीत, अन्य संरचनाओं की तुलना में 3PVA-(C10)2NaAlg का प्रतिनिधित्व करने वाली संरचना की मुक्त ऊर्जा और निर्माण ऊष्मा का मान क्रमशः -690.340 और -830.673 किलो कैलोरी/मोल है, जो सबसे अधिक है। जैसा कि चित्र 5 में दर्शाया गया है, ग्लिसरॉल के साथ परस्पर क्रिया के कारण विभिन्न ऊष्मीय गुणधर्मों में परिवर्तन होता है। गिब्स मुक्त ऊर्जा ऋणात्मक है, जो यह दर्शाता है कि प्रस्तावित संरचना स्थिर है।
PM6 ने शुद्ध 3PVA- (C10) 2Na Alg (मॉडल A0), 3PVA- (C10) 2Na Alg − 1 Gly (मॉडल A1), 3PVA- (C10) 2Na Alg − 2 Gly (मॉडल A2), 3PVA- (C10) 2Na Alg − 3 Gly (मॉडल A3), 3PVA- (C10) 2Na Alg − 4 Gly (मॉडल A4), और 3PVA- (C10) 2Na Alg − 5 Gly (मॉडल A5) के थर्मल मापदंडों की गणना की, जहाँ (a) एन्थैल्पी है, (b) एन्ट्रॉपी है, (c) ऊष्मा क्षमता है, (d) मुक्त ऊर्जा है, और (e) गठन की ऊष्मा है।
दूसरी ओर, PVA ट्राइमर और डाइमेरिक NaAlg के बीच दूसरा अंतःक्रिया मोड PVA ट्राइमर संरचना में टर्मिनल और मध्य OH समूहों में होता है। पहले समूह की तरह, थर्मल मापदंडों की गणना समान सैद्धांतिक स्तर का उपयोग करके की गई थी। चित्र 6a-e एन्थैल्पी, एंट्रॉपी, ऊष्मा क्षमता, मुक्त ऊर्जा और अंततः निर्माण की ऊष्मा में भिन्नता दर्शाते हैं। चित्र 6a-c दर्शाते हैं कि Term 1 NaAlg-3PVA-Mid 1 NaAlg की एन्थैल्पी, एंट्रॉपी और ऊष्मा क्षमता 1, 2, 3, 4, 5 और 6 ग्लिसरॉल इकाइयों के साथ अंतःक्रिया करने पर पहले समूह के समान व्यवहार प्रदर्शित करती हैं। इसके अलावा, तापमान बढ़ने के साथ उनके मान धीरे-धीरे बढ़ते हैं। इसके अतिरिक्त, प्रस्तावित Term 1 Na Alg − 3PVA-Mid 1 Na Alg मॉडल में, ग्लिसरॉल की मात्रा बढ़ने के साथ एन्थैल्पी, एंट्रॉपी और ऊष्मा क्षमता के मान बढ़ते हैं। संक्षिप्ताक्षर B0, B1, B2, B3, B4, B5 और B6 क्रमशः निम्नलिखित संरचनाओं का प्रतिनिधित्व करते हैं: 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 और Term 1 Na Alg- 3PVA- Mid 1 Na Alg − 6 Gly। जैसा कि चित्र 6a-c में दिखाया गया है, यह स्पष्ट है कि ग्लिसरॉल इकाइयों की संख्या 1 से 6 तक बढ़ने पर एन्थैल्पी, एन्ट्रॉपी और ऊष्मा क्षमता के मान बढ़ते हैं।
PM6 ने शुद्ध Term 1 Na Alg- 3PVA- Mid 1 Na Alg (मॉडल B0), Term 1 Na Alg- 3PVA- Mid 1 Na Alg – 1 Gly (मॉडल B1), Term 1 Na Alg- 3PVA- Mid 1 Na Alg – 2 Gly (मॉडल B2), Term 1 Na Alg- 3PVA- Mid 1 Na Alg – 3 Gly (मॉडल B3), Term 1 Na Alg- 3PVA- Mid 1 Na Alg – 4 Gly (मॉडल B4), Term 1 Na Alg- 3PVA- Mid 1 Na Alg – 5 Gly (मॉडल B5), और Term 1 Na Alg- 3PVA- Mid 1 Na Alg – 6 Gly (मॉडल B6) के तापीय मापदंडों की गणना की, जिनमें शामिल हैं: (a) एन्थैल्पी, (b) एन्ट्रॉपी, (c) ऊष्मा क्षमता, (d) मुक्त ऊर्जा, और (e) गठन की ऊष्मा।
इसके अतिरिक्त, टर्म 1 Na Alg- 3PVA- मिड 1 Na Alg- 6 Gly का प्रतिनिधित्व करने वाली संरचना में अन्य संरचनाओं की तुलना में एन्थैल्पी, एन्ट्रॉपी और ऊष्मा क्षमता के उच्चतम मान पाए गए हैं। इनमें से, टर्म 1 Na Alg − 3PVA- मिड 1 Na Alg में इनके मान क्रमशः 16.703 cal/mol, 257.990 cal/mol/K और 131.323 kcal/mol से बढ़कर टर्म 1 Na Alg − 3PVA- मिड 1 Na Alg − 6 Gly में 33.223 cal/mol, 420.038 cal/mol/K और 275.923 kcal/mol हो गए हैं।
हालांकि, चित्र 6d और e मुक्त ऊर्जा और अंतिम निर्माण ऊष्मा (HF) की तापमान निर्भरता दर्शाते हैं। HF को उस एन्थैल्पी परिवर्तन के रूप में परिभाषित किया जा सकता है जो प्राकृतिक और मानक परिस्थितियों में किसी पदार्थ के एक मोल के उसके तत्वों से बनने पर होता है। चित्र से स्पष्ट है कि अध्ययन की गई सभी संरचनाओं की मुक्त ऊर्जा और अंतिम निर्माण ऊष्मा तापमान पर रैखिक रूप से निर्भर करती हैं, अर्थात् तापमान बढ़ने के साथ वे धीरे-धीरे और रैखिक रूप से बढ़ती हैं। इसके अतिरिक्त, चित्र ने यह भी पुष्टि की कि टर्म 1 Na Alg − 3PVA- मिड 1 Na Alg − 6 Gly का प्रतिनिधित्व करने वाली संरचना में सबसे कम मुक्त ऊर्जा और सबसे कम HF है। टर्म 1 Na Alg − 3PVA- मिड 1 Na Alg − 6 Gly में ये दोनों पैरामीटर -758.337 से घटकर -899.741 K cal/mol हो गए, जबकि टर्म 1 Na Alg − 3PVA- मिड 1 Na Alg − 6 Gly में ये क्रमशः -1,476.591 और -1,828.523 K cal/mol हो गए। परिणामों से स्पष्ट है कि ग्लिसरॉल इकाइयों की संख्या बढ़ने के साथ HF का मान घटता है। इसका अर्थ यह है कि कार्यात्मक समूहों की संख्या बढ़ने से प्रतिक्रियाशीलता भी बढ़ती है और इसलिए अभिक्रिया को पूरा करने के लिए कम ऊर्जा की आवश्यकता होती है। यह इस बात की पुष्टि करता है कि उच्च प्रतिक्रियाशीलता के कारण प्लास्टिसाइज्ड PVA/NaAlg का उपयोग बैटरियों में किया जा सकता है।
सामान्यतः, तापमान के प्रभावों को दो प्रकारों में विभाजित किया जाता है: निम्न-तापमान प्रभाव और उच्च-तापमान प्रभाव। निम्न तापमान के प्रभाव मुख्य रूप से उच्च अक्षांशों पर स्थित देशों में महसूस किए जाते हैं, जैसे कि ग्रीनलैंड, कनाडा और रूस। सर्दियों में, इन स्थानों पर बाहरी हवा का तापमान शून्य डिग्री सेल्सियस से काफी नीचे चला जाता है। निम्न तापमान लिथियम-आयन बैटरियों के जीवनकाल और प्रदर्शन को प्रभावित कर सकता है, विशेष रूप से प्लग-इन हाइब्रिड इलेक्ट्रिक वाहनों, शुद्ध इलेक्ट्रिक वाहनों और हाइब्रिड इलेक्ट्रिक वाहनों में उपयोग की जाने वाली बैटरियों को। अंतरिक्ष यात्रा एक और ठंडा वातावरण है जिसके लिए लिथियम-आयन बैटरियों की आवश्यकता होती है। उदाहरण के लिए, मंगल ग्रह पर तापमान -120 डिग्री सेल्सियस तक गिर सकता है, जो अंतरिक्ष यान में लिथियम-आयन बैटरियों के उपयोग में एक महत्वपूर्ण बाधा है। कम परिचालन तापमान लिथियम-आयन बैटरियों की आवेश स्थानांतरण दर और रासायनिक प्रतिक्रिया गतिविधि में कमी ला सकता है, जिसके परिणामस्वरूप इलेक्ट्रोड के भीतर लिथियम आयनों की प्रसार दर और इलेक्ट्रोलाइट में आयनिक चालकता में कमी आती है। इस गिरावट के कारण ऊर्जा क्षमता और शक्ति में कमी आती है, और कभी-कभी प्रदर्शन में भी कमी आ जाती है।53
उच्च तापमान प्रभाव विभिन्न प्रकार के अनुप्रयोग वातावरणों में देखा जा सकता है, जिनमें उच्च और निम्न तापमान दोनों ही शामिल हैं, जबकि निम्न तापमान प्रभाव मुख्य रूप से निम्न तापमान वाले अनुप्रयोग वातावरणों तक ही सीमित है। निम्न तापमान प्रभाव मुख्यतः परिवेश के तापमान द्वारा निर्धारित होता है, जबकि उच्च तापमान प्रभाव को आमतौर पर परिचालन के दौरान लिथियम-आयन बैटरी के भीतर के उच्च तापमान से अधिक सटीक रूप से जोड़ा जा सकता है।
लिथियम-आयन बैटरियां उच्च धारा प्रवाह (तेज़ चार्जिंग और तेज़ डिस्चार्जिंग सहित) के दौरान ऊष्मा उत्पन्न करती हैं, जिससे आंतरिक तापमान बढ़ जाता है। उच्च तापमान के संपर्क में आने से बैटरी के प्रदर्शन में गिरावट आ सकती है, जिसमें क्षमता और शक्ति में कमी शामिल है। आमतौर पर, उच्च तापमान पर लिथियम की हानि और सक्रिय पदार्थों की पुनः प्राप्ति के कारण क्षमता में कमी आती है, और शक्ति में कमी आंतरिक प्रतिरोध में वृद्धि के कारण होती है। यदि तापमान नियंत्रण से बाहर हो जाता है, तो तापीय अपवाह (थर्मल रनवे) की स्थिति उत्पन्न हो जाती है, जो कुछ मामलों में स्वतः प्रज्वलन या विस्फोट का कारण भी बन सकती है।
QSAR गणनाएँ यौगिकों की जैविक गतिविधि और संरचनात्मक गुणों के बीच संबंधों को पहचानने के लिए उपयोग की जाने वाली एक कम्प्यूटेशनल या गणितीय मॉडलिंग विधि है। सभी डिज़ाइन किए गए अणुओं को अनुकूलित किया गया और PM6 स्तर पर कुछ QSAR गुणों की गणना की गई। तालिका 3 में गणना किए गए कुछ QSAR विवरणकों की सूची दी गई है। ऐसे विवरणकों के उदाहरण हैं आवेश, TDM, कुल ऊर्जा (E), आयनीकरण विभव (IP), लॉग P और ध्रुवीकरण क्षमता (IP और लॉग P निर्धारित करने के सूत्रों के लिए तालिका 1 देखें)।
गणना के परिणामों से पता चलता है कि अध्ययन की गई सभी संरचनाओं का कुल आवेश शून्य है क्योंकि वे ग्राउंड स्टेट में हैं। पहली अंतःक्रिया संभावना के लिए, ग्लिसरॉल का TDM 2.788 डेबी और 3PVA-(C10) 2Na Alg के लिए 6.840 डेबी था, जबकि 3PVA-(C10) 2Na Alg द्वारा ग्लिसरॉल की 1, 2, 3, 4 और 5 इकाइयों के साथ अंतःक्रिया करने पर TDM मान बढ़कर क्रमशः 17.990 डेबी, 8.848 डेबी, 5.874 डेबी, 7.568 डेबी और 12.779 डेबी हो गए। TDM मान जितना अधिक होगा, पर्यावरण के साथ उसकी प्रतिक्रियाशीलता उतनी ही अधिक होगी।
कुल ऊर्जा (E) की गणना भी की गई, और ग्लिसरॉल तथा 3PVA-(C10)2 NaAlg के E मान क्रमशः -141.833 eV और -200092.503 eV पाए गए। वहीं, 3PVA-(C10)2 NaAlg की संरचनाएँ 1, 2, 3, 4 और 5 ग्लिसरॉल इकाइयों के साथ परस्पर क्रिया करती हैं; तब E का मान क्रमशः -996.837, -1108.440, -1238.740, -1372.075 और -1548.031 eV हो जाता है। ग्लिसरॉल की मात्रा बढ़ाने से कुल ऊर्जा में कमी आती है और परिणामस्वरूप प्रतिक्रियाशीलता में वृद्धि होती है। कुल ऊर्जा गणना के आधार पर यह निष्कर्ष निकाला गया कि मॉडल अणु, जो कि 3PVA-2Na Alg-5 Gly है, अन्य मॉडल अणुओं की तुलना में अधिक प्रतिक्रियाशील है। यह घटना उनकी संरचना से संबंधित है। 3PVA-(C10)2NaAlg में केवल दो -COONa समूह होते हैं, जबकि अन्य संरचनाओं में दो -COONa समूह होते हैं लेकिन उनमें कई OH समूह होते हैं, जिसका अर्थ है कि पर्यावरण के प्रति उनकी प्रतिक्रियाशीलता बढ़ जाती है।
इसके अतिरिक्त, इस अध्ययन में सभी संरचनाओं की आयनीकरण ऊर्जा (IE) पर विचार किया गया है। आयनीकरण ऊर्जा, अध्ययन किए गए मॉडल की प्रतिक्रियाशीलता को मापने के लिए एक महत्वपूर्ण पैरामीटर है। किसी अणु के एक बिंदु से अनंत तक इलेक्ट्रॉन को स्थानांतरित करने के लिए आवश्यक ऊर्जा को आयनीकरण ऊर्जा कहते हैं। यह अणु के आयनीकरण की डिग्री (अर्थात प्रतिक्रियाशीलता) को दर्शाती है। आयनीकरण ऊर्जा जितनी अधिक होगी, प्रतिक्रियाशीलता उतनी ही कम होगी। 1, 2, 3, 4 और 5 ग्लिसरॉल इकाइयों के साथ परस्पर क्रिया करने वाले 3PVA-(C10)2NaAlg की IE क्रमशः -9.256, -9.393, -9.393, -9.248 और -9.323 eV थी, जबकि ग्लिसरॉल और 3PVA-(C10)2NaAlg की IE क्रमशः -5.157 और -9.341 eV थी। ग्लिसरॉल के मिलाने से आईपी मान में कमी आई, जिससे आणविक प्रतिक्रियाशीलता में वृद्धि हुई, जो विद्युत रासायनिक उपकरणों में पीवीए/एनएलजी/ग्लिसरॉल मॉडल अणु की प्रयोज्यता को बढ़ाती है।
तालिका 3 में पाँचवाँ संकेतक लॉग पी है, जो विभाजन गुणांक का लघुगणक है और इसका उपयोग यह बताने के लिए किया जाता है कि अध्ययन की जा रही संरचना जलपरी है या जलपरी। ऋणात्मक लॉग पी मान जलपरी अणु को दर्शाता है, जिसका अर्थ है कि यह पानी में आसानी से घुल जाता है और कार्बनिक विलायकों में कम घुलता है। धनात्मक मान इसके विपरीत प्रक्रिया को दर्शाता है।
प्राप्त परिणामों के आधार पर यह निष्कर्ष निकाला जा सकता है कि सभी संरचनाएं जलपरीक हैं, क्योंकि उनके लॉग पी मान (3PVA-(C10)2Na Alg − 1Gly, 3PVA-(C10)2Na Alg − 2Gly, 3PVA-(C10)2Na Alg − 3Gly, 3PVA-(C10)2Na Alg − 4Gly और 3PVA-(C10)2Na Alg − 5Gly) क्रमशः -3.537, -5.261, -6.342, -7.423 और -8.504 हैं, जबकि ग्लिसरॉल का लॉग पी मान केवल -1.081 और 3PVA-(C10)2Na Alg का लॉग पी मान केवल -3.100 है। इसका अर्थ यह है कि अध्ययन की जा रही संरचना के गुणधर्म जल अणुओं के समावेश होने पर परिवर्तित हो जाएंगे।
अंत में, सभी संरचनाओं की ध्रुवीकरण क्षमता की गणना अर्ध-अनुभवजन्य विधि का उपयोग करके PM6 स्तर पर की गई। पहले यह उल्लेख किया गया था कि अधिकांश पदार्थों की ध्रुवीकरण क्षमता विभिन्न कारकों पर निर्भर करती है। सबसे महत्वपूर्ण कारक अध्ययन की जा रही संरचना का आयतन है। 3PVA और 2NaAlg के बीच पहले प्रकार की अंतःक्रिया (यह अंतःक्रिया कार्बन परमाणु संख्या 10 के माध्यम से होती है) वाली सभी संरचनाओं के लिए, ग्लिसरॉल मिलाने से ध्रुवीकरण क्षमता में सुधार होता है। 1, 2, 3, 4 और 5 ग्लिसरॉल इकाइयों के साथ अंतःक्रिया के कारण ध्रुवीकरण क्षमता 29.690 Å से बढ़कर क्रमशः 35.076, 40.665, 45.177, 50.239 और 54.638 Å हो जाती है। इस प्रकार, यह पाया गया कि उच्चतम ध्रुवीकरण क्षमता वाला मॉडल अणु 3PVA-(C10)2NaAlg−5Gly है, जबकि सबसे कम ध्रुवीकरण क्षमता वाला मॉडल अणु 3PVA-(C10)2NaAlg है, जो 29.690 Å है।
क्यूएसएआर डिस्क्रिप्टर्स के मूल्यांकन से पता चला कि 3पीवीए-(सी10)2NaAlg − 5Gly का प्रतिनिधित्व करने वाली संरचना पहले प्रस्तावित अंतःक्रिया के लिए सबसे अधिक प्रतिक्रियाशील है।
पीवीए ट्राइमर और NaAlg डाइमर के बीच दूसरे अंतःक्रिया मोड के लिए, परिणाम दर्शाते हैं कि उनके आवेश पहले अंतःक्रिया के लिए पिछले खंड में प्रस्तावित आवेशों के समान हैं। सभी संरचनाओं का इलेक्ट्रॉनिक आवेश शून्य है, जिसका अर्थ है कि वे सभी ग्राउंड स्टेट में हैं।
जैसा कि तालिका 4 में दिखाया गया है, टर्म 1 Na Alg − 3PVA-मिड 1 Na Alg के TDM मान (PM6 स्तर पर गणना किए गए) 11.581 डेबी से बढ़कर 15.756, 19.720, 21.756, 22.732, 15.507 और 15.756 हो गए जब टर्म 1 Na Alg − 3PVA-मिड 1 Na Alg ने ग्लिसरॉल की 1, 2, 3, 4, 5 और 6 इकाइयों के साथ प्रतिक्रिया की। हालाँकि, ग्लिसरॉल इकाइयों की संख्या में वृद्धि के साथ कुल ऊर्जा घटती है, और जब टर्म 1 Na Alg − 3PVA- मिड 1 Na Alg एक निश्चित संख्या में ग्लिसरॉल इकाइयों (1 से 6) के साथ परस्पर क्रिया करता है, तो कुल ऊर्जा क्रमशः − 996.985, − 1129.013, − 1267.211, − 1321.775, − 1418.964, और − 1637.432 eV होती है।
दूसरी अंतःक्रिया संभावना के लिए, IP, Log P और ध्रुवीकरण क्षमता की गणना PM6 सिद्धांत स्तर पर भी की गई है। इसलिए, उन्होंने आणविक प्रतिक्रियाशीलता के तीन सबसे शक्तिशाली वर्णकों पर विचार किया। 1, 2, 3, 4, 5 और 6 ग्लिसरॉल इकाइयों के साथ अंतःक्रिया करने वाले End 1 Na Alg-3PVA-Mid 1 Na Alg का प्रतिनिधित्व करने वाली संरचनाओं के लिए, IP का मान -9.385 eV से बढ़कर क्रमशः -8.946, -8.848, -8.430, -9.537, -7.997 और -8.900 eV हो जाता है। हालांकि, ग्लिसरॉल के साथ End 1 Na Alg-3PVA-Mid 1 Na Alg के प्लास्टिकीकरण के कारण परिकलित Log P का मान कम था। ग्लिसरॉल की मात्रा 1 से 6 तक बढ़ने पर, इसके मान -3.643 के स्थान पर क्रमशः -5.334, -6.415, -7.496, -9.096, -9.861 और -10.53 हो जाते हैं। अंत में, ध्रुवीकरण डेटा से पता चला कि ग्लिसरॉल की मात्रा बढ़ाने से टर्म 1 Na Alg- 3PVA- मिड 1 Na Alg की ध्रुवीकरण क्षमता में वृद्धि होती है। 6 ग्लिसरॉल इकाइयों के साथ अंतःक्रिया के बाद मॉडल अणु टर्म 1 Na Alg- 3PVA- मिड 1 Na Alg की ध्रुवीकरण क्षमता 31.703 Å से बढ़कर 63.198 Å हो गई। यह ध्यान रखना महत्वपूर्ण है कि दूसरी अंतःक्रिया संभावना में ग्लिसरॉल इकाइयों की संख्या बढ़ाकर यह पुष्टि की गई कि परमाणुओं की बड़ी संख्या और जटिल संरचना के बावजूद, ग्लिसरॉल की मात्रा बढ़ने से प्रदर्शन में सुधार होता है। इस प्रकार, यह कहा जा सकता है कि उपलब्ध पीवीए/एनए एल्ग/ग्लिसरीन मॉडल लिथियम-आयन बैटरी को आंशिक रूप से प्रतिस्थापित कर सकता है, लेकिन इसके लिए और अधिक शोध और विकास की आवश्यकता है।
किसी सतह की अधिशोषक से बंधन क्षमता का निर्धारण करने और प्रणालियों के बीच अद्वितीय अंतःक्रियाओं का मूल्यांकन करने के लिए किन्हीं दो परमाणुओं के बीच विद्यमान बंध के प्रकार, अंतर-आणविक और अंतरा-आणविक अंतःक्रियाओं की जटिलता और सतह तथा अधिशोषक के इलेक्ट्रॉन घनत्व वितरण का ज्ञान आवश्यक है। QTAIM विश्लेषण में बंध की मजबूती का आकलन करने के लिए अंतःक्रियाशील परमाणुओं के बीच बंध क्रांतिक बिंदु (BCP) पर इलेक्ट्रॉन घनत्व महत्वपूर्ण है। इलेक्ट्रॉन आवेश घनत्व जितना अधिक होगा, सहसंयोजक अंतःक्रिया उतनी ही स्थिर होगी और सामान्यतः इन क्रांतिक बिंदुओं पर इलेक्ट्रॉन घनत्व उतना ही अधिक होगा। इसके अलावा, यदि कुल इलेक्ट्रॉन ऊर्जा घनत्व (H(r)) और लाप्लास आवेश घनत्व (∇2ρ(r)) दोनों 0 से कम हैं, तो यह सहसंयोजक (सामान्य) अंतःक्रियाओं की उपस्थिति को दर्शाता है। दूसरी ओर, जब ∇2ρ(r) और H(r) 0.54 से अधिक होते हैं, तो यह गैर-सहसंयोजक (क्लोज्ड शेल) अंतःक्रियाओं जैसे कि दुर्बल हाइड्रोजन बंध, वैन डेर वाल्स बल और स्थिरवैद्युत अंतःक्रियाओं की उपस्थिति को दर्शाता है। QTAIM विश्लेषण ने अध्ययन की गई संरचनाओं में गैर-सहसंयोजक अंतःक्रियाओं की प्रकृति को उजागर किया, जैसा कि चित्र 7 और 8 में दर्शाया गया है। विश्लेषण के आधार पर, 3PVA − 2Na Alg और Term 1 Na Alg − 3PVA –Mid 1 Na Alg का प्रतिनिधित्व करने वाले मॉडल अणुओं ने विभिन्न ग्लाइसिन इकाइयों के साथ अंतःक्रिया करने वाले अणुओं की तुलना में अधिक स्थिरता प्रदर्शित की। इसका कारण यह है कि एल्जिनेट संरचना में अधिक प्रचलित कई गैर-सहसंयोजक अंतःक्रियाएं, जैसे कि इलेक्ट्रोस्टैटिक अंतःक्रियाएं और हाइड्रोजन बंध, एल्जिनेट को कंपोजिट को स्थिर करने में सक्षम बनाते हैं। इसके अलावा, हमारे परिणाम 3PVA − 2Na Alg और Term 1 Na Alg − 3PVA –Mid 1 Na Alg मॉडल अणुओं और ग्लाइसिन के बीच गैर-सहसंयोजक अंतःक्रियाओं के महत्व को प्रदर्शित करते हैं, जो दर्शाता है कि ग्लाइसिन कंपोजिट के समग्र इलेक्ट्रॉनिक वातावरण को संशोधित करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है।
मॉडल अणु 3PVA − 2NaAlg का QTAIM विश्लेषण (a) 0 Gly, (b) 1 Gly, (c) 2 Gly, (d) 3 Gly, (e) 4 Gly, और (f) 5Gly के साथ परस्पर क्रिया करता है।