از بازدید شما از nature.com متشکریم. نسخه مرورگری که استفاده می‌کنید پشتیبانی محدودی از CSS دارد. برای بهترین تجربه، توصیه می‌کنیم از آخرین نسخه مرورگر استفاده کنید (یا حالت سازگاری را در Internet Explorer غیرفعال کنید). علاوه بر این، برای اطمینان از پشتیبانی مداوم، این سایت شامل استایل‌ها یا جاوا اسکریپت نخواهد بود.
با توجه به منابع فراوان سدیم، باتری‌های سدیم-یون (NIBs) یک راه‌حل جایگزین امیدوارکننده برای ذخیره‌سازی انرژی الکتروشیمیایی هستند. در حال حاضر، مانع اصلی در توسعه فناوری NIB، کمبود مواد الکترودی است که بتوانند یون‌های سدیم را به صورت برگشت‌پذیر برای مدت طولانی ذخیره/آزاد کنند. بنابراین، هدف از این مطالعه، بررسی نظری تأثیر افزودن گلیسرول بر مخلوط‌های پلی‌وینیل الکل (PVA) و آلژینات سدیم (NaAlg) به عنوان مواد الکترود NIB است. این مطالعه بر توصیفگرهای الکترونیکی، حرارتی و کمی رابطه ساختار-فعالیت (QSAR) الکترولیت‌های پلیمری مبتنی بر مخلوط‌های PVA، آلژینات سدیم و گلیسرول تمرکز دارد. این خواص با استفاده از روش‌های نیمه‌تجربی و نظریه تابعی چگالی (DFT) بررسی می‌شوند. از آنجایی که تجزیه و تحلیل ساختاری جزئیات برهمکنش‌های بین PVA/آلژینات و گلیسرول را آشکار کرد، انرژی شکاف نواری (Eg) بررسی شد. نتایج نشان می‌دهد که افزودن گلیسرول منجر به کاهش مقدار Eg به 0.2814 eV می‌شود. سطح پتانسیل الکترواستاتیک مولکولی (MESP) توزیع نواحی غنی از الکترون و فقیر از الکترون و بارهای مولکولی را در کل سیستم الکترولیت نشان می‌دهد. پارامترهای حرارتی مورد مطالعه شامل آنتالپی (H)، آنتروپی (ΔS)، ظرفیت گرمایی (Cp)، انرژی آزاد گیبس (G) و گرمای تشکیل هستند. علاوه بر این، چندین توصیفگر رابطه کمی ساختار-فعالیت (QSAR) مانند گشتاور دوقطبی کل (TDM)، انرژی کل (E)، پتانسیل یونیزاسیون (IP)، Log P و قطبش‌پذیری در این مطالعه بررسی شدند. نتایج نشان داد که H، ΔS، Cp، G و TDM با افزایش دما و محتوای گلیسرول افزایش می‌یابند. در همین حال، گرمای تشکیل، IP و E کاهش یافت که واکنش‌پذیری و قطبش‌پذیری را بهبود بخشید. علاوه بر این، با افزودن گلیسرول، ولتاژ سلول به 2.488 ولت افزایش یافت. محاسبات DFT و PM6 بر اساس الکترولیت‌های مقرون به صرفه مبتنی بر گلیسرول PVA/NaAlg نشان می‌دهد که آنها می‌توانند به دلیل چند منظوره بودن، تا حدی جایگزین باتری‌های لیتیوم-یون شوند، اما بهبودها و تحقیقات بیشتری مورد نیاز است.
اگرچه باتری‌های لیتیوم-یون (LIB) به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرند، اما کاربرد آنها به دلیل چرخه عمر کوتاه، هزینه بالا و نگرانی‌های ایمنی با محدودیت‌های زیادی روبرو است. باتری‌های سدیم-یون (SIB) به دلیل در دسترس بودن گسترده، هزینه کم و غیرسمی بودن عنصر سدیم، ممکن است به یک جایگزین مناسب برای LIB تبدیل شوند. باتری‌های سدیم-یون (SIB) به طور فزاینده‌ای به یک سیستم ذخیره انرژی مهم برای دستگاه‌های الکتروشیمیایی تبدیل می‌شوند.1. باتری‌های سدیم-یون برای تسهیل انتقال یون و تولید جریان الکتریکی به شدت به الکترولیت‌ها وابسته هستند2،3. الکترولیت‌های مایع عمدتاً از نمک‌های فلزی و حلال‌های آلی تشکیل شده‌اند. کاربردهای عملی نیاز به بررسی دقیق ایمنی الکترولیت‌های مایع، به ویژه هنگامی که باتری در معرض تنش حرارتی یا الکتریکی قرار می‌گیرد4، دارد.
انتظار می‌رود باتری‌های سدیم-یون (SIB) به دلیل ذخایر فراوان اقیانوسی، غیرسمی بودن و هزینه کم مواد، در آینده نزدیک جایگزین باتری‌های لیتیوم-یون شوند. سنتز نانومواد، توسعه دستگاه‌های ذخیره‌سازی داده، الکترونیکی و نوری را تسریع کرده است. حجم زیادی از مقالات، کاربرد نانوساختارهای مختلف (مانند اکسیدهای فلزی، گرافن، نانولوله‌ها و فولرن‌ها) را در باتری‌های سدیم-یون نشان داده‌اند. تحقیقات بر توسعه مواد آند، از جمله پلیمرها، برای باتری‌های سدیم-یون به دلیل تطبیق‌پذیری و سازگاری با محیط زیست متمرکز شده است. بدون شک علاقه به تحقیق در زمینه باتری‌های پلیمری قابل شارژ افزایش خواهد یافت. مواد الکترود پلیمری جدید با ساختارها و خواص منحصر به فرد، احتمالاً راه را برای فناوری‌های ذخیره‌سازی انرژی سازگار با محیط زیست هموار می‌کنند. اگرچه مواد الکترود پلیمری مختلفی برای استفاده در باتری‌های سدیم-یون بررسی شده‌اند، اما این حوزه هنوز در مراحل اولیه توسعه خود است. برای باتری‌های سدیم-یون، مواد پلیمری بیشتری با پیکربندی‌های ساختاری متفاوت باید بررسی شوند. بر اساس دانش فعلی ما از مکانیسم ذخیره‌سازی یون‌های سدیم در مواد الکترود پلیمری، می‌توان فرض کرد که گروه‌های کربونیل، رادیکال‌های آزاد و هترواتم‌ها در سیستم مزدوج می‌توانند به عنوان مکان‌های فعال برای تعامل با یون‌های سدیم عمل کنند. بنابراین، توسعه پلیمرهای جدید با چگالی بالای این مکان‌های فعال بسیار مهم است. الکترولیت پلیمری ژلی (GPE) یک فناوری جایگزین است که قابلیت اطمینان باتری، رسانایی یونی، عدم نشت، انعطاف‌پذیری بالا و عملکرد خوب را بهبود می‌بخشد12.
ماتریس‌های پلیمری شامل موادی مانند PVA و پلی‌اتیلن اکسید (PEO)13 هستند. پلیمر ژل تراوا (GPE) الکترولیت مایع را در ماتریس پلیمری تثبیت می‌کند که در مقایسه با جداکننده‌های تجاری، خطر نشت را کاهش می‌دهد14. PVA یک پلیمر مصنوعی زیست‌تخریب‌پذیر است. این پلیمر دارای گذردهی الکتریکی بالا، ارزان و غیرسمی است. این ماده به دلیل خواص تشکیل فیلم، پایداری شیمیایی و چسبندگی شناخته شده است. همچنین دارای گروه‌های عاملی (OH) و چگالی پتانسیل اتصال عرضی بالا15،16،17 است15. از تکنیک‌های ترکیب پلیمر، افزودن نرم‌کننده، افزودن کامپوزیت و پلیمریزاسیون درجا برای بهبود رسانایی الکترولیت‌های پلیمری مبتنی بر PVA برای کاهش بلورینگی ماتریس و افزایش انعطاف‌پذیری زنجیره استفاده شده است18،19،20.
ترکیب کردن یک روش مهم برای توسعه مواد پلیمری برای کاربردهای صنعتی است. مخلوط‌های پلیمری اغلب برای موارد زیر استفاده می‌شوند: (1) بهبود خواص فرآوری پلیمرهای طبیعی در کاربردهای صنعتی؛ (2) بهبود خواص شیمیایی، فیزیکی و مکانیکی مواد زیست تخریب‌پذیر؛ و (3) سازگاری با تقاضای به سرعت در حال تغییر برای مواد جدید در صنعت بسته‌بندی مواد غذایی. برخلاف کوپلیمریزاسیون، ترکیب پلیمر یک فرآیند کم‌هزینه است که از فرآیندهای فیزیکی ساده به جای فرآیندهای شیمیایی پیچیده برای دستیابی به خواص مورد نظر استفاده می‌کند21. برای تشکیل هموپلیمرها، پلیمرهای مختلف می‌توانند از طریق نیروهای دوقطبی-دوقطبی، پیوندهای هیدروژنی یا کمپلکس‌های انتقال بار با هم تعامل داشته باشند22،23. مخلوط‌های ساخته شده از پلیمرهای طبیعی و مصنوعی می‌توانند زیست‌سازگاری خوب را با خواص مکانیکی عالی ترکیب کنند و یک ماده برتر را با هزینه تولید پایین ایجاد کنند24،25. بنابراین، علاقه زیادی به ایجاد مواد پلیمری زیست‌محیطی با ترکیب پلیمرهای مصنوعی و طبیعی وجود داشته است. PVA را می‌توان با آلژینات سدیم (NaAlg)، سلولز، کیتوزان و نشاسته ترکیب کرد26.
آلژینات سدیم یک پلیمر طبیعی و پلی‌ساکارید آنیونی است که از جلبک‌های قهوه‌ای دریایی استخراج می‌شود. آلژینات سدیم از D-مانورونیک اسید (M) با پیوند β-(1-4) و L-گولورونیک اسید (G) با پیوند α-(1-4) تشکیل شده است که به شکل‌های هموپلیمری (پلی-M و پلی-G) و بلوک‌های هتروپلیمری (MG یا GM) سازماندهی شده‌اند.27. مقدار و نسبت نسبی بلوک‌های M و G تأثیر قابل توجهی بر خواص شیمیایی و فیزیکی آلژینات دارد.28،29. آلژینات سدیم به دلیل زیست‌تخریب‌پذیری، زیست‌سازگاری، هزینه کم، خواص خوب تشکیل فیلم و عدم سمیت، به طور گسترده مورد استفاده و مطالعه قرار می‌گیرد. با این حال، تعداد زیادی از گروه‌های هیدروکسیل (OH) و کربوکسیلات (COO) آزاد در زنجیره آلژینات، آلژینات را بسیار آبدوست می‌کند. با این حال، آلژینات به دلیل شکنندگی و سفتی، خواص مکانیکی ضعیفی دارد. بنابراین، آلژینات را می‌توان با سایر مواد مصنوعی ترکیب کرد تا حساسیت به آب و خواص مکانیکی آن بهبود یابد30،31.
قبل از طراحی مواد الکترود جدید، محاسبات DFT اغلب برای ارزیابی امکان‌سنجی ساخت مواد جدید استفاده می‌شود. علاوه بر این، دانشمندان از مدل‌سازی مولکولی برای تأیید و پیش‌بینی نتایج تجربی، صرفه‌جویی در زمان، کاهش ضایعات شیمیایی و پیش‌بینی رفتار برهمکنش استفاده می‌کنند32. مدل‌سازی مولکولی به شاخه‌ای قدرتمند و مهم از علم در بسیاری از زمینه‌ها، از جمله علم مواد، نانومواد، شیمی محاسباتی و کشف دارو تبدیل شده است33،34. با استفاده از برنامه‌های مدل‌سازی، دانشمندان می‌توانند مستقیماً داده‌های مولکولی، از جمله انرژی (گرمای تشکیل، پتانسیل یونیزاسیون، انرژی فعال‌سازی و غیره) و هندسه (زوایای پیوند، طول پیوند و زوایای پیچشی)35 را به دست آورند. علاوه بر این، خواص الکترونیکی (بار، انرژی شکاف باند HOMO و LUMO، میل ترکیبی الکترون)، خواص طیفی (مدهای ارتعاشی و شدت‌های مشخصه مانند طیف‌های FTIR) و خواص حجمی (حجم، انتشار، ویسکوزیته، مدول و غیره)36 را می‌توان محاسبه کرد.
LiNiPO4 به دلیل چگالی انرژی بالای خود (ولتاژ کاری حدود 5.1 ولت) مزایای بالقوه‌ای در رقابت با مواد الکترود مثبت باتری لیتیوم-یونی نشان می‌دهد. برای بهره‌برداری کامل از مزیت LiNiPO4 در ناحیه ولتاژ بالا، ولتاژ کاری باید کاهش یابد زیرا الکترولیت ولتاژ بالای توسعه‌یافته فعلی تنها می‌تواند در ولتاژهای کمتر از 4.8 ولت نسبتاً پایدار بماند. ژانگ و همکارانش آلایش تمام فلزات واسطه 3d، 4d و 5d را در جایگاه نیکل LiNiPO4 بررسی کردند، الگوهای آلایش با عملکرد الکتروشیمیایی عالی را انتخاب کردند و ولتاژ کاری LiNiPO4 را ضمن حفظ پایداری نسبی عملکرد الکتروشیمیایی آن تنظیم کردند. کمترین ولتاژهای کاری که آنها به دست آوردند به ترتیب 4.21، 3.76 و 3.5037 برای LiNiPO4 آلاییده شده با Ti، Nb و Ta بود.
بنابراین، هدف از این مطالعه بررسی نظری تأثیر گلیسرول به عنوان نرم‌کننده بر خواص الکترونیکی، توصیفگرهای QSAR و خواص حرارتی سیستم PVA/NaAlg با استفاده از محاسبات مکانیک کوانتومی برای کاربرد آن در باتری‌های یون-یون قابل شارژ است. برهمکنش‌های مولکولی بین مدل PVA/NaAlg و گلیسرول با استفاده از نظریه اتمی کوانتومی مولکول‌های بادر (QTAIM) تجزیه و تحلیل شدند.
یک مدل مولکولی که نشان‌دهنده برهمکنش PVA با NaAlg و سپس با گلیسرول است، با استفاده از DFT بهینه شد. این مدل با استفاده از نرم‌افزار Gaussian 0938 در بخش طیف‌سنجی، مرکز تحقیقات ملی، قاهره، مصر محاسبه شد. مدل‌ها با استفاده از DFT در سطح B3LYP/6-311G(d, p)39،40،41،42 بهینه شدند. برای تأیید برهمکنش بین مدل‌های مورد مطالعه، مطالعات فرکانسی انجام شده در همان سطح تئوری، پایداری هندسه بهینه شده را نشان می‌دهند. عدم وجود فرکانس‌های منفی در بین تمام فرکانس‌های ارزیابی شده، ساختار استنباط شده را در حداقل‌های مثبت واقعی روی سطح انرژی پتانسیل برجسته می‌کند. پارامترهای فیزیکی مانند TDM، انرژی شکاف باند HOMO/LUMO و MESP در همان سطح تئوری مکانیک کوانتومی محاسبه شدند. علاوه بر این، برخی از پارامترهای حرارتی مانند گرمای نهایی تشکیل، انرژی آزاد، آنتروپی، آنتالپی و ظرفیت گرمایی با استفاده از فرمول‌های ارائه شده در جدول 1 محاسبه شدند. مدل‌های مورد مطالعه تحت آنالیز نظریه کوانتومی اتم‌ها در مولکول‌ها (QTAIM) قرار گرفتند تا برهمکنش‌های رخ داده در سطح ساختارهای مورد مطالعه شناسایی شوند. این محاسبات با استفاده از دستور "output=wfn" در کد نرم‌افزاری Gaussian 09 انجام و سپس با استفاده از کد نرم‌افزاری Avogadro43 تجسم شدند.
که در آن E انرژی داخلی، P فشار، V حجم، Q تبادل گرما بین سیستم و محیط آن، T دما، ΔH تغییر آنتالپی، ΔG تغییر انرژی آزاد، ΔS تغییر آنتروپی، a و b پارامترهای ارتعاشی، q بار اتمی و C چگالی الکترون اتمی هستند.44،45. در نهایت، همان ساختارها بهینه شدند و پارامترهای QSAR در سطح PM6 با استفاده از کد نرم‌افزار SCIGRESS46 در بخش طیف‌سنجی مرکز تحقیقات ملی در قاهره، مصر محاسبه شدند.
در کار قبلی‌مان47، محتمل‌ترین مدلی را که برهمکنش سه واحد PVA با دو واحد NaAlg را توصیف می‌کند، ارزیابی کردیم و گلیسرول به عنوان نرم‌کننده عمل کرد. همانطور که در بالا ذکر شد، دو احتمال برای برهمکنش PVA و NaAlg وجود دارد. دو مدل، که 3PVA-2Na Alg (بر اساس عدد کربن 10) و Term 1Na Alg-3PVA-Mid 1Na Alg نامگذاری شده‌اند، در مقایسه با سایر ساختارهای مورد بررسی، کمترین مقدار شکاف انرژی48 را دارند. بنابراین، تأثیر افزودن Gly بر محتمل‌ترین مدل پلیمر ترکیبی PVA/NaAlg با استفاده از دو ساختار اخیر بررسی شد: 3PVA-(C10)2Na Alg (که برای سادگی به عنوان 3PVA-2Na Alg نامیده می‌شود) و Term 1 Na Alg − 3PVA-Mid 1Na Alg. طبق منابع، PVA، NaAlg و گلیسرول فقط می‌توانند پیوندهای هیدروژنی ضعیفی بین گروه‌های عاملی هیدروکسیل تشکیل دهند. از آنجایی که هم تریمر PVA و هم دیمر NaAlg و گلیسرول حاوی چندین گروه OH هستند، تماس می‌تواند از طریق یکی از گروه‌های OH محقق شود. شکل 1 برهمکنش بین مولکول گلیسرول مدل و مولکول مدل 3PVA-2Na Alg را نشان می‌دهد، و شکل 2 مدل ساخته شده از برهمکنش بین مولکول مدل Term 1Na Alg-3PVA-Mid 1Na Alg و غلظت‌های مختلف گلیسرول را نشان می‌دهد.
ساختارهای بهینه‌شده: (الف) Gly و 3PVA − 2Na Alg با (ب) 1 Gly، (ج) 2 Gly، (د) 3 Gly، (ه) 4 Gly و (و) 5 Gly برهمکنش می‌کنند.
ساختارهای بهینه شده Term 1Na Alg-3PVA –Mid 1Na Alg در برهمکنش با (الف) 1 Gly، (ب) 2 Gly، (ج) 3 Gly، (د) 4 Gly، (ه) 5 Gly، و (و) 6 Gly.
انرژی شکاف نوار الکترونی پارامتر مهمی است که هنگام مطالعه واکنش‌پذیری هر ماده الکترودی باید در نظر گرفته شود. زیرا رفتار الکترون‌ها را هنگامی که ماده در معرض تغییرات خارجی قرار می‌گیرد، توصیف می‌کند. بنابراین، تخمین انرژی‌های شکاف نوار الکترونی HOMO/LUMO برای تمام ساختارهای مورد مطالعه ضروری است. جدول 2 تغییرات انرژی‌های HOMO/LUMO 3PVA-(C10)2Na Alg و Term 1Na Alg − 3PVA- Mid 1Na Alg را به دلیل افزودن گلیسرول نشان می‌دهد. طبق مرجع 47، مقدار Eg 3PVA-(C10)2Na Alg برابر با 0.2908 eV است، در حالی که مقدار Eg ساختار که نشان دهنده احتمال برهمکنش دوم (یعنی Term 1Na Alg − 3PVA- Mid 1Na Alg) است، 0.5706 eV است.
با این حال، مشخص شد که افزودن گلیسرول منجر به تغییر جزئی در مقدار Eg آلژینات 3PVA-(C10)2Na شد. هنگامی که 3PVA-(C10)2NaAlg با 1، 2، 3، 4 و 5 واحد گلیسرول برهمکنش داشت، مقادیر Eg آن به ترتیب 0.302، 0.299، 0.308، 0.289 و 0.281 eV شد. با این حال، یک بینش ارزشمند وجود دارد که پس از افزودن 3 واحد گلیسرول، مقدار Eg کوچکتر از 3PVA-(C10)2Na آلژینات شد. مدلی که برهمکنش 3PVA-(C10)2Na آلژینات را با پنج واحد گلیسرول نشان می‌دهد، محتمل‌ترین مدل برهمکنش است. این بدان معناست که با افزایش تعداد واحدهای گلیسرول، احتمال برهمکنش نیز افزایش می‌یابد.
در همین حال، برای احتمال دوم برهمکنش، انرژی‌های HOMO/LUMO مولکول‌های مدل که نشان‌دهنده‌ی 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 و Term 1Na Alg − 3PVA –Mid 1Na Alg-6Gly هستند، به ترتیب ۱.۳۴۳، ۱.۳۴۷، ۰.۹۷۶، ۰.۶۰۷، ۰.۳۴۸ و ۰.۴۹۶ eV می‌شوند. جدول 2 انرژی‌های شکاف نواری HOMO/LUMO محاسبه‌شده را برای همه ساختارها نشان می‌دهد. علاوه بر این، همان رفتار احتمالات برهمکنش گروه اول در اینجا تکرار می‌شود.
نظریه نوار در فیزیک حالت جامد بیان می‌کند که با کاهش شکاف نواری یک ماده الکترود، رسانایی الکترونیکی ماده افزایش می‌یابد. آلایش یک روش رایج برای کاهش شکاف نواری مواد کاتدی یون سدیم است. جیانگ و همکارانش از آلایش مس برای بهبود رسانایی الکترونیکی مواد لایه‌ای β-NaMnO2 استفاده کردند. آنها با استفاده از محاسبات DFT دریافتند که آلایش، شکاف نواری ماده را از 0.7 eV به 0.3 eV کاهش می‌دهد. این نشان می‌دهد که آلایش مس، رسانایی الکترونیکی ماده β-NaMnO2 را بهبود می‌بخشد.
MESP به عنوان انرژی برهمکنش بین توزیع بار مولکولی و یک بار مثبت واحد تعریف می‌شود. MESP ابزاری مؤثر برای درک و تفسیر خواص شیمیایی و واکنش‌پذیری در نظر گرفته می‌شود. MESP می‌تواند برای درک مکانیسم‌های برهمکنش بین مواد پلیمری مورد استفاده قرار گیرد. MESP توزیع بار را در ترکیب مورد مطالعه توصیف می‌کند. علاوه بر این، MESP اطلاعاتی در مورد مکان‌های فعال در مواد مورد مطالعه ارائه می‌دهد32. شکل 3 نمودارهای MESP مربوط به 3PVA-(C10) 2Na Alg، 3PVA-(C10) 2Na Alg − 1Gly، 3PVA-(C10) 2Na Alg − 2Gly، 3PVA-(C10) 2Na Alg − 3Gly، 3PVA-(C10) 2Na Alg − 4Gly و 3PVA-(C10) 2Na Alg − 5Gly را که در سطح تئوری B3LYP/6-311G(d, p) پیش‌بینی شده‌اند، نشان می‌دهد.
کانتورهای MESP محاسبه شده با B3LYP/6-311 g(d, p) برای (الف) Gly و 3PVA − 2Na Alg در برهمکنش با (ب) 1 Gly، (ج) 2 Gly، (د) 3 Gly، (ه) 4 Gly، و (و) 5 Gly.
در همین حال، شکل 4 نتایج محاسبه‌شده MESP را برای 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 و Term 1Na Alg-3PVA – Mid 1Na Alg − 6Gly به ترتیب نشان می‌دهد. MESP محاسبه‌شده به صورت یک رفتار کانتور نمایش داده شده است. خطوط کانتور با رنگ‌های مختلف نمایش داده شده‌اند. هر رنگ نشان‌دهنده یک مقدار الکترونگاتیوی متفاوت است. رنگ قرمز نشان‌دهنده مکان‌های بسیار الکترونگاتیو یا واکنش‌پذیر است. در همین حال، رنگ زرد نشان‌دهنده جایگاه‌های خنثی ۴۹، ۵۰، ۵۱ در ساختار است. نتایج MESP نشان داد که واکنش‌پذیری 3PVA-(C10)2Na Alg با افزایش رنگ قرمز در اطراف مدل‌های مورد مطالعه افزایش یافته است. در همین حال، شدت رنگ قرمز در نقشه MESP مولکول مدل Term 1Na Alg-3PVA – Mid 1Na Alg به دلیل برهمکنش با محتوای گلیسرول متفاوت کاهش می‌یابد. تغییر در توزیع رنگ قرمز در اطراف ساختار پیشنهادی، واکنش‌پذیری را نشان می‌دهد، در حالی که افزایش شدت، افزایش الکترونگاتیوی مولکول مدل 3PVA-(C10)2Na Alg را به دلیل افزایش محتوای گلیسرول تأیید می‌کند.
عبارت MESP محاسبه‌شده‌ی B3LYP/6-311 g(d, p) از 1Na Alg-3PVA-Mid 1Na Alg در برهمکنش با (الف) 1 Gly، (ب) 2 Gly، (ج) 3 Gly، (د) 4 Gly، (ه) 5 Gly و (و) 6 Gly.
پارامترهای حرارتی تمام ساختارهای پیشنهادی مانند آنتالپی، آنتروپی، ظرفیت گرمایی، انرژی آزاد و گرمای تشکیل در دماهای مختلف در محدوده 200 کلوین تا 500 کلوین محاسبه شده است. برای توصیف رفتار سیستم‌های فیزیکی، علاوه بر مطالعه رفتار الکترونیکی آنها، لازم است رفتار حرارتی آنها به عنوان تابعی از دما به دلیل برهمکنش آنها با یکدیگر نیز بررسی شود که می‌توان آن را با استفاده از معادلات ارائه شده در جدول 1 محاسبه کرد. مطالعه این پارامترهای حرارتی به عنوان شاخص مهمی از پاسخگویی و پایداری چنین سیستم‌های فیزیکی در دماهای مختلف در نظر گرفته می‌شود.
در مورد آنتالپی تریمر PVA، ابتدا با دیمر NaAlg واکنش می‌دهد، سپس از طریق گروه OH متصل به اتم کربن شماره 10 و در نهایت با گلیسرول. آنتالپی معیاری از انرژی در یک سیستم ترمودینامیکی است. آنتالپی برابر با کل گرمای موجود در یک سیستم است که معادل انرژی داخلی سیستم به علاوه حاصلضرب حجم و فشار آن است. به عبارت دیگر، آنتالپی نشان می‌دهد که چه مقدار گرما و کار به یک ماده اضافه یا از آن حذف می‌شود52.
شکل ۵ تغییرات آنتالپی را در طول واکنش 3PVA-(C10)2Na Alg با غلظت‌های مختلف گلیسرول نشان می‌دهد. اختصارات A0، A1، A2، A3، A4 و A5 به ترتیب نشان دهنده مولکول‌های مدل 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 و 3PVA-(C10)2Na Alg − 5Gly هستند. شکل ۵a نشان می‌دهد که آنتالپی با افزایش دما و محتوای گلیسرول افزایش می‌یابد. آنتالپی ساختار نشان دهنده 3PVA-(C10)2NaAlg − 5Gly (یعنی A5) در دمای 200 کلوین، 27.966 کالی بر مول است، در حالی که آنتالپی ساختار نشان دهنده 3PVA-2NaAlg در دمای 200 کلوین، 13.490 کالی بر مول است. در نهایت، از آنجایی که آنتالپی مثبت است، این واکنش گرماگیر است.
آنتروپی به عنوان معیاری از انرژی غیرقابل دسترس در یک سیستم ترمودینامیکی بسته تعریف می‌شود و اغلب به عنوان معیاری از بی‌نظمی سیستم در نظر گرفته می‌شود. شکل 5b تغییر آنتروپی 3PVA-(C10)2NaAlg را با دما و نحوه تعامل آن با واحدهای مختلف گلیسرول نشان می‌دهد. نمودار نشان می‌دهد که آنتروپی با افزایش دما از 200 کلوین به 500 کلوین به صورت خطی تغییر می‌کند. شکل 5b به وضوح نشان می‌دهد که آنتروپی مدل 3PVA-(C10)2Na Alg در دمای 200 کلوین به 200 کالری بر کلوین بر مول تمایل دارد زیرا مدل 3PVA-(C10)2Na Alg بی‌نظمی شبکه کمتری را نشان می‌دهد. با افزایش دما، مدل 3PVA-(C10)2Na Alg بی‌نظم می‌شود و افزایش آنتروپی را با افزایش دما توضیح می‌دهد. علاوه بر این، واضح است که ساختار 3PVA-C10 2Na Alg-5 Gly بالاترین مقدار آنتروپی را دارد.
همین رفتار در شکل 5c مشاهده می‌شود که تغییر ظرفیت گرمایی با دما را نشان می‌دهد. ظرفیت گرمایی مقدار گرمای مورد نیاز برای تغییر دمای مقدار معینی از ماده به میزان 1 درجه سانتیگراد است. شکل 5c تغییرات ظرفیت گرمایی مولکول مدل 3PVA-(C10)2NaAlg را به دلیل برهمکنش با واحدهای 1، 2، 3، 4 و 5 گلیسرول نشان می‌دهد. این شکل نشان می‌دهد که ظرفیت گرمایی مدل 3PVA-(C10)2NaAlg به صورت خطی با دما افزایش می‌یابد. افزایش مشاهده شده در ظرفیت گرمایی با افزایش دما به ارتعاشات حرارتی فونون نسبت داده می‌شود. علاوه بر این، شواهدی وجود دارد که افزایش محتوای گلیسرول منجر به افزایش ظرفیت گرمایی مدل 3PVA-(C10)2NaAlg می‌شود. علاوه بر این، ساختار نشان می‌دهد که 3PVA-(C10)2NaAlg−5Gly بالاترین مقدار ظرفیت گرمایی را در مقایسه با سایر ساختارها دارد.
پارامترهای دیگری مانند انرژی آزاد و گرمای نهایی تشکیل برای ساختارهای مورد مطالعه محاسبه شده و به ترتیب در شکل‌های 5d و 5e نشان داده شده‌اند. گرمای نهایی تشکیل، گرمای آزاد شده یا جذب شده در طول تشکیل یک ماده خالص از عناصر تشکیل دهنده آن تحت فشار ثابت است. انرژی آزاد را می‌توان به عنوان یک ویژگی مشابه انرژی تعریف کرد، یعنی مقدار آن به مقدار ماده در هر حالت ترمودینامیکی بستگی دارد. انرژی آزاد و گرمای تشکیل 3PVA-(C10)2NaAlg−5Gly کمترین مقدار و به ترتیب -1318.338 و -1628.154 کیلوکالری بر مول بودند. در مقابل، ساختار نشان دهنده 3PVA-(C10)2NaAlg در مقایسه با سایر ساختارها، بالاترین مقادیر انرژی آزاد و گرمای تشکیل را به ترتیب -690.340 و -830.673 کیلوکالری بر مول دارد. همانطور که در شکل 5 نشان داده شده است، خواص حرارتی مختلف به دلیل برهمکنش با گلیسرول تغییر می‌کنند. انرژی آزاد گیبس منفی است که نشان می‌دهد ساختار پیشنهادی پایدار است.
PM6 پارامترهای حرارتی 3PVA-(C10)2Na Alg خالص (مدل A0)، 3PVA-(C10)2Na Alg − 1 Gly (مدل A1)، 3PVA-(C10)2Na Alg − 2 Gly (مدل A2)، 3PVA-(C10)2Na Alg − 3 Gly (مدل A3)، 3PVA-(C10)2Na Alg − 4 Gly (مدل A4) و 3PVA-(C10)2Na Alg − 5 Gly (مدل A5) را محاسبه کرد، که در آن (الف) آنتالپی، (ب) آنتروپی، (ج) ظرفیت گرمایی، (د) انرژی آزاد و (ه) گرمای تشکیل است.
از سوی دیگر، حالت دوم برهمکنش بین تریمر PVA و دیمر NaAlg در گروه‌های OH انتهایی و میانی در ساختار تریمر PVA رخ می‌دهد. همانند گروه اول، پارامترهای حرارتی با استفاده از همان سطح تئوری محاسبه شدند. شکل 6a-e تغییرات آنتالپی، آنتروپی، ظرفیت گرمایی، انرژی آزاد و در نهایت گرمای تشکیل را نشان می‌دهد. شکل‌های 6a-c نشان می‌دهند که آنتالپی، آنتروپی و ظرفیت گرمایی Term 1 NaAlg-3PVA-Mid 1 NaAlg هنگام برهمکنش با واحدهای 1، 2، 3، 4، 5 و 6 گلیسرول، رفتاری مشابه گروه اول از خود نشان می‌دهند. علاوه بر این، مقادیر آنها به تدریج با افزایش دما افزایش می‌یابد. علاوه بر این، در مدل پیشنهادی Term 1 Na Alg − 3PVA-Mid 1 Na Alg، مقادیر آنتالپی، آنتروپی و ظرفیت گرمایی با افزایش محتوای گلیسرول افزایش یافتند. اختصارات B0، B1، B2، B3، B4، B5 و B6 به ترتیب ساختارهای زیر را نشان می‌دهند: 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 و Term 1 Na Alg- 3PVA- Mid 1 Na Alg − 6 Gly. همانطور که در شکل 6a-c نشان داده شده است، بدیهی است که مقادیر آنتالپی، آنتروپی و ظرفیت گرمایی با افزایش تعداد واحدهای گلیسرول از 1 به 6 افزایش می‌یابد.
PM6 پارامترهای حرارتی Term 1 Na Alg-3PVA-Mid 1 Na Alg خالص (مدل B0)، Term 1 Na Alg-3PVA-Mid 1 Na Alg – 1 Gly (مدل B1)، Term 1 Na Alg-3PVA-Mid 1 Na Alg – 2 Gly (مدل B2)، Term 1 Na Alg-3PVA-Mid 1 Na Alg – 3 Gly (مدل B3)، Term 1 Na Alg-3PVA-Mid 1 Na Alg – 4 Gly (مدل B4)، Term 1 Na Alg-3PVA-Mid 1 Na Alg – 5 Gly (مدل B5) و Term 1 Na Alg-3PVA-Mid 1 Na Alg – 6 Gly (مدل B6) را محاسبه کرد، از جمله (الف) آنتالپی، (ب) آنتروپی، (ج) ظرفیت گرمایی، (د) انرژی آزاد و (ه) گرمای تشکیل.
علاوه بر این، ساختار نشان دهنده‌ی ساختار Term 1 Na Alg-3PVA-Mid 1 Na Alg-6 Gly بالاترین مقادیر آنتالپی، آنتروپی و ظرفیت گرمایی را در مقایسه با سایر ساختارها دارد. در میان آنها، مقادیر آنها به ترتیب از 16.703 کالری بر مول، 257.990 کالری بر مول بر کلوین و 131.323 کیلوکالری بر مول در ساختار Term 1 Na Alg − 3PVA-Mid 1 Na Alg به 33.223 کالری بر مول، 420.038 کالری بر مول بر کلوین و 275.923 کیلوکالری بر مول در ساختار Term 1 Na Alg − 3PVA-Mid 1 Na Alg − 6 Gly افزایش یافته است.
با این حال، شکل‌های 6d و e وابستگی دمایی انرژی آزاد و گرمای نهایی تشکیل (HF) را نشان می‌دهند. HF را می‌توان به عنوان تغییر آنتالپی که هنگام تشکیل یک مول از یک ماده از عناصر آن در شرایط طبیعی و استاندارد رخ می‌دهد، تعریف کرد. از شکل مشخص است که انرژی آزاد و گرمای نهایی تشکیل تمام ساختارهای مورد مطالعه، وابستگی خطی به دما نشان می‌دهند، یعنی با افزایش دما به تدریج و به صورت خطی افزایش می‌یابند. علاوه بر این، شکل همچنین تأیید کرد که ساختار نشان دهنده ترم 1 Na Alg − 3PVA- Mid 1 Na Alg − 6 Gly کمترین انرژی آزاد و کمترین HF را دارد. هر دو پارامتر از -758.337 به -899.741 K cal/mol در ترم 1 Na Alg − 3PVA- Mid 1 Na Alg − 6 Gly به -1,476.591 و -1,828.523 K cal/mol کاهش یافتند. از نتایج مشخص است که با افزایش واحدهای گلیسرول، HF کاهش می‌یابد. این بدان معناست که به دلیل افزایش گروه‌های عاملی، واکنش‌پذیری نیز افزایش می‌یابد و از این رو انرژی کمتری برای انجام واکنش مورد نیاز است. این موضوع تأیید می‌کند که PVA/NaAlg پلاستیکی شده به دلیل واکنش‌پذیری بالای آن می‌تواند در باتری‌ها استفاده شود.
به طور کلی، اثرات دما به دو نوع تقسیم می‌شوند: اثرات دمای پایین و اثرات دمای بالا. اثرات دمای پایین عمدتاً در کشورهایی که در عرض‌های جغرافیایی بالا قرار دارند، مانند گرینلند، کانادا و روسیه، احساس می‌شود. در زمستان، دمای هوای بیرون در این مکان‌ها بسیار کمتر از صفر درجه سانتیگراد است. طول عمر و عملکرد باتری‌های لیتیوم-یون می‌تواند تحت تأثیر دماهای پایین، به ویژه آنهایی که در وسایل نقلیه الکتریکی هیبریدی پلاگین، وسایل نقلیه الکتریکی خالص و وسایل نقلیه الکتریکی هیبریدی استفاده می‌شوند، قرار گیرد. سفر فضایی یکی دیگر از محیط‌های سردی است که به باتری‌های لیتیوم-یون نیاز دارد. به عنوان مثال، دمای مریخ می‌تواند تا -120 درجه سانتیگراد کاهش یابد که مانع قابل توجهی برای استفاده از باتری‌های لیتیوم-یون در فضاپیماها ایجاد می‌کند. دمای عملیاتی پایین می‌تواند منجر به کاهش سرعت انتقال بار و فعالیت واکنش شیمیایی باتری‌های لیتیوم-یون شود و در نتیجه سرعت انتشار یون‌های لیتیوم در داخل الکترود و رسانایی یونی در الکترولیت کاهش یابد. این تخریب منجر به کاهش ظرفیت انرژی و توان و گاهی اوقات حتی کاهش عملکرد می‌شود53.
اثر دمای بالا در طیف وسیع‌تری از محیط‌های کاربردی، شامل محیط‌های با دمای بالا و پایین، رخ می‌دهد، در حالی که اثر دمای پایین عمدتاً به محیط‌های کاربردی با دمای پایین محدود می‌شود. اثر دمای پایین در درجه اول توسط دمای محیط تعیین می‌شود، در حالی که اثر دمای بالا معمولاً با دقت بیشتری به دماهای بالای داخل باتری لیتیوم-یون در حین کار نسبت داده می‌شود.
باتری‌های لیتیوم-یونی در شرایط جریان بالا (از جمله شارژ و دشارژ سریع) گرما تولید می‌کنند که باعث افزایش دمای داخلی می‌شود. قرار گرفتن در معرض دمای بالا همچنین می‌تواند باعث تخریب عملکرد باتری، از جمله از دست دادن ظرفیت و قدرت شود. به طور معمول، از دست دادن لیتیوم و بازیابی مواد فعال در دماهای بالا منجر به از دست دادن ظرفیت می‌شود و از دست دادن قدرت به دلیل افزایش مقاومت داخلی است. اگر دما از کنترل خارج شود، فرار حرارتی رخ می‌دهد که در برخی موارد می‌تواند منجر به احتراق خود به خودی یا حتی انفجار شود.
محاسبات QSAR یک روش مدل‌سازی محاسباتی یا ریاضی است که برای شناسایی روابط بین فعالیت بیولوژیکی و خواص ساختاری ترکیبات استفاده می‌شود. تمام مولکول‌های طراحی شده بهینه شده و برخی از خواص QSAR در سطح PM6 محاسبه شدند. جدول 3 برخی از توصیفگرهای QSAR محاسبه شده را فهرست می‌کند. نمونه‌هایی از چنین توصیفگرهایی عبارتند از بار، TDM، انرژی کل (E)، پتانسیل یونیزاسیون (IP)، Log P و قطبش‌پذیری (برای فرمول‌های تعیین IP و Log P به جدول 1 مراجعه کنید).
نتایج محاسبات نشان می‌دهد که بار کل تمام ساختارهای مورد مطالعه صفر است زیرا در حالت پایه قرار دارند. برای احتمال برهمکنش اول، TDM گلیسرول برای 3PVA-(C10) 2Na Alg برابر با 2.788 دبای و 6.840 دبای بود، در حالی که مقادیر TDM به ترتیب به 17.990 دبای، 8.848 دبای، 5.874 دبای، 7.568 دبای و 12.779 دبای افزایش یافت، زمانی که 3PVA-(C10) 2Na Alg با 1، 2، 3، 4 و 5 واحد گلیسرول برهمکنش داشت. هرچه مقدار TDM بالاتر باشد، واکنش‌پذیری آن با محیط بیشتر است.
انرژی کل (E) نیز محاسبه شد و مقادیر E برای گلیسرول و 3PVA-(C10)2 NaAlg به ترتیب -141.833 eV و -200092.503 eV بدست آمد. در همین حال، ساختارهایی که 3PVA-(C10)2 NaAlg را نشان می‌دهند، با 1، 2، 3، 4 و 5 واحد گلیسرول برهمکنش دارند؛ E به ترتیب -996.837، -1108.440، -1238.740، -1372.075 و -1548.031 eV می‌شود. افزایش محتوای گلیسرول منجر به کاهش انرژی کل و در نتیجه افزایش واکنش‌پذیری می‌شود. بر اساس محاسبه انرژی کل، نتیجه گرفته شد که مولکول مدل، که 3PVA-2Na Alg-5 Gly است، نسبت به سایر مولکول‌های مدل واکنش‌پذیرتر است. این پدیده به ساختار آنها مربوط می‌شود. 3PVA-(C10)2NaAlg تنها شامل دو گروه -COONa است، در حالی که ساختارهای دیگر حاوی دو گروه -COONa هستند اما چندین گروه OH را حمل می‌کنند، به این معنی که واکنش‌پذیری آنها نسبت به محیط افزایش یافته است.
علاوه بر این، انرژی‌های یونیزاسیون (IE) تمام ساختارها در این مطالعه در نظر گرفته شده است. انرژی یونیزاسیون پارامتر مهمی برای اندازه‌گیری واکنش‌پذیری مدل مورد مطالعه است. انرژی مورد نیاز برای حرکت یک الکترون از یک نقطه از یک مولکول به بی‌نهایت، انرژی یونیزاسیون نامیده می‌شود. این انرژی، درجه یونیزاسیون (یعنی واکنش‌پذیری) مولکول را نشان می‌دهد. هرچه انرژی یونیزاسیون بالاتر باشد، واکنش‌پذیری کمتر است. نتایج IE مربوط به برهمکنش 3PVA-(C10)2NaAlg با واحدهای 1، 2، 3، 4 و 5 گلیسرول به ترتیب -9.256، -9.393، -9.393، -9.248 و -9.323 eV بود، در حالی که IE های گلیسرول و 3PVA-(C10)2NaAlg به ترتیب -5.157 و -9.341 eV بودند. از آنجایی که افزودن گلیسرول منجر به کاهش مقدار IP شد، واکنش‌پذیری مولکولی افزایش یافت که این امر کاربردپذیری مولکول مدل PVA/NaAlg/گلیسرول را در دستگاه‌های الکتروشیمیایی افزایش می‌دهد.
پنجمین توصیف‌گر در جدول 3، Log P است که لگاریتم ضریب تقسیم است و برای توصیف آبدوست یا آبگریز بودن ساختار مورد مطالعه استفاده می‌شود. مقدار منفی Log P نشان دهنده یک مولکول آبدوست است، به این معنی که به راحتی در آب حل می‌شود و در حلال‌های آلی به سختی حل می‌شود. مقدار مثبت نشان دهنده فرآیند معکوس است.
بر اساس نتایج به دست آمده، می‌توان نتیجه گرفت که همه ساختارها آبدوست هستند، زیرا مقادیر Log P آنها (3PVA-(C10)2Na Alg − 1Gly، 3PVA-(C10)2Na Alg − 2Gly، 3PVA-(C10)2Na Alg − 3Gly، 3PVA-(C10)2Na Alg − 4Gly و 3PVA-(C10)2Na Alg − 5Gly) به ترتیب -3.537، -5.261، -6.342، -7.423 و -8.504 است، در حالی که مقدار Log P گلیسرول فقط -1.081 و 3PVA-(C10)2Na Alg فقط -3.100 است. این بدان معناست که خواص ساختار مورد مطالعه با ورود مولکول‌های آب به ساختار آن تغییر خواهد کرد.
در نهایت، قطبش‌پذیری همه ساختارها نیز در سطح PM6 با استفاده از یک روش نیمه‌تجربی محاسبه می‌شود. قبلاً اشاره شد که قطبش‌پذیری اکثر مواد به عوامل مختلفی بستگی دارد. مهم‌ترین عامل، حجم ساختار مورد مطالعه است. برای همه ساختارهایی که شامل نوع اول برهمکنش بین 3PVA و 2NaAlg هستند (برهمکنش از طریق اتم کربن شماره 10 رخ می‌دهد)، قطبش‌پذیری با افزودن گلیسرول بهبود می‌یابد. قطبش‌پذیری به دلیل برهمکنش با واحدهای 1، 2، 3، 4 و 5 گلیسرول، از 29.690 آنگستروم به 35.076، 40.665، 45.177، 50.239 و 54.638 آنگستروم افزایش می‌یابد. بنابراین، مشخص شد که مولکول مدل با بالاترین قطبش‌پذیری، 3PVA-(C10)2NaAlg−5Gly است، در حالی که مولکول مدل با کمترین قطبش‌پذیری، 3PVA-(C10)2NaAlg است که 29.690 آنگستروم است.
ارزیابی توصیف‌گرهای QSAR نشان داد که ساختار 3PVA-(C10)2NaAlg − 5Gly واکنش‌پذیرترین ساختار برای اولین برهمکنش پیشنهادی است.
برای حالت برهمکنش دوم بین تریمر PVA و دایمر NaAlg، نتایج نشان می‌دهد که بارهای آنها مشابه بارهای پیشنهادی در بخش قبل برای برهمکنش اول است. همه ساختارها بار الکترونیکی صفر دارند، به این معنی که همه آنها در حالت پایه هستند.
همانطور که در جدول ۴ نشان داده شده است، مقادیر TDM (محاسبه شده در سطح PM6) مربوط به Term 1 Na Alg − 3PVA-Mid 1 Na Alg از ۱۱.۵۸۱ دبای به ۱۵.۷۵۶، ۱۹.۷۲۰، ۲۱.۷۵۶، ۲۲.۷۳۲، ۱۵.۵۰۷ و ۱۵.۷۵۶ افزایش یافت، زمانی که Term 1 Na Alg − 3PVA-Mid 1 Na Alg با ۱، ۲، ۳، ۴، ۵ و ۶ واحد گلیسرول واکنش داد. با این حال، انرژی کل با افزایش تعداد واحدهای گلیسرول کاهش می‌یابد، و هنگامی که Term 1 Na Alg − 3PVA- Mid 1 Na Alg با تعداد مشخصی از واحدهای گلیسرول (1 تا 6) برهمکنش می‌کند، انرژی کل به ترتیب − 996.985، − 1129.013، − 1267.211، − 1321.775، − 1418.964 و − 1637.432 eV است.
برای احتمال برهمکنش دوم، IP، Log P و قطبش‌پذیری نیز در سطح تئوری PM6 محاسبه می‌شوند. بنابراین، آنها سه توصیفگر قدرتمند واکنش‌پذیری مولکولی را در نظر گرفتند. برای ساختارهایی که نشان‌دهنده End 1 Na Alg-3PVA-Mid 1 Na Alg در برهمکنش با واحدهای 1، 2، 3، 4، 5 و 6 گلیسرول هستند، IP از −9.385 eV به −8.946، −8.848، −8.430، −9.537، −7.997 و −8.900 eV افزایش می‌یابد. با این حال، مقدار Log P محاسبه شده به دلیل نرم شدن End 1 Na Alg-3PVA-Mid 1 Na Alg با گلیسرول کمتر بود. با افزایش محتوای گلیسرول از ۱ به ۶، مقادیر آن به جای -۳.۶۴۳ به -۵.۳۳۴، -۶.۴۱۵، -۷.۴۹۶، -۹.۰۹۶، -۹.۸۶۱ و -۱۰.۵۳ تبدیل می‌شوند. در نهایت، داده‌های قطبش‌پذیری نشان داد که افزایش محتوای گلیسرول منجر به افزایش قطبش‌پذیری Term 1 Na Alg-3PVA-Mid 1 Na Alg می‌شود. قطبش‌پذیری مولکول مدل Term 1 Na Alg-3PVA-Mid 1 Na Alg پس از برهمکنش با ۶ واحد گلیسرول از ۳۱.۷۰۳ آنگستروم به ۶۳.۱۹۸ آنگستروم افزایش یافت. لازم به ذکر است که افزایش تعداد واحدهای گلیسرول در احتمال برهمکنش دوم برای تأیید این موضوع انجام می‌شود که با وجود تعداد زیاد اتم‌ها و ساختار پیچیده، عملکرد همچنان با افزایش محتوای گلیسرول بهبود می‌یابد. بنابراین، می‌توان گفت که مدل PVA/NaAlg/گلیسیرین موجود می‌تواند تا حدی جایگزین باتری‌های لیتیوم-یون شود، اما تحقیقات و توسعه بیشتری مورد نیاز است.
توصیف ظرفیت اتصال یک سطح به یک جاذب و ارزیابی برهمکنش‌های منحصر به فرد بین سیستم‌ها، نیازمند آگاهی از نوع پیوند موجود بین هر دو اتم، پیچیدگی برهمکنش‌های بین مولکولی و درون مولکولی و توزیع چگالی الکترون سطح و جاذب است. چگالی الکترون در نقطه بحرانی پیوند (BCP) بین اتم‌های برهمکنش‌کننده برای ارزیابی استحکام پیوند در آنالیز QTAIM بسیار مهم است. هرچه چگالی بار الکترون بیشتر باشد، برهمکنش کووالانسی پایدارتر است و به طور کلی، چگالی الکترون در این نقاط بحرانی بیشتر است. علاوه بر این، اگر چگالی انرژی کل الکترون (H(r)) و چگالی بار لاپلاس (∇2ρ(r)) هر دو کمتر از 0 باشند، این نشان دهنده وجود برهمکنش‌های کووالانسی (عمومی) است. از سوی دیگر، هنگامی که ∇2ρ(r) و H(r) بیشتر از 0.54 باشند، نشان دهنده وجود برهمکنش‌های غیر کووالانسی (پوسته بسته) مانند پیوندهای هیدروژنی ضعیف، نیروهای واندروالس و برهمکنش‌های الکترواستاتیک است. آنالیز QTAIM ماهیت برهمکنش‌های غیرکووالانسی را در ساختارهای مورد مطالعه، همانطور که در شکل‌های 7 و 8 نشان داده شده است، آشکار کرد. بر اساس این آنالیز، مولکول‌های مدل نشان دهنده 3PVA − 2Na Alg و Term 1 Na Alg − 3PVA –Mid 1 Na Alg، پایداری بالاتری نسبت به مولکول‌هایی که با واحدهای مختلف گلیسین برهمکنش می‌کنند، نشان دادند. دلیل این امر آن است که تعدادی از برهمکنش‌های غیرکووالانسی که در ساختار آلژینات شایع‌تر هستند، مانند برهمکنش‌های الکترواستاتیک و پیوندهای هیدروژنی، آلژینات را قادر می‌سازند تا کامپوزیت‌ها را پایدار کند. علاوه بر این، نتایج ما اهمیت برهمکنش‌های غیرکووالانسی بین مولکول‌های مدل 3PVA − 2Na Alg و Term 1 Na Alg − 3PVA –Mid 1 Na Alg و گلیسین را نشان می‌دهد، که نشان می‌دهد گلیسین نقش مهمی در اصلاح محیط الکترونیکی کلی کامپوزیت‌ها ایفا می‌کند.
آنالیز QTAIM مولکول مدل 3PVA − 2NaAlg در برهمکنش با (الف) 0 Gly، (ب) 1 Gly، (ج) 2 Gly، (د) 3 Gly، (ه) 4 Gly، و (و) 5Gly.