Application of Poly-L-Lysine for Tailoring Graphene Oxide Mediated Contact Formation between Lithium Titanium Oxide LTO Surfaces for Batteries

Abstract

Abstract. When producing stable electrodes, polymeric binders are highly functional materials that are effective in dispersing lithium-based oxides such as Li4Ti5O12 (LTO) and carbon-based materials and establishing the conductivity of the multiphase composites. Nowadays, binders such as polyvinylidene fluoride (PVDF) are used, requiring dedicated recycling strategies due to their low biodegradability and use of toxic solvents to dissolve it. Better structuring of the carbon layers and a low amount of binder could reduce the number of inactive materials in the electrode. In this study, we use computational and experimental methods to explore the use of the poly amino acid poly-L-lysine (PLL) as a novel biodegradable binder that is placed directly between nanostructured LTO and reduced graphene oxide. Density functional theory (DFT) calculations allowed us to determine that the (111) surface is the most stable LTO surface exposed to lysine. We performed Kubo–Greenwood electrical conductivity (KGEC) calculations to determine the electrical conductivity values for the hybrid LTO–lysine–rGO system. We found that the presence of the lysine-based binder at the interface increased the conductivity of the interface by four-fold relative to LTO–rGO in a lysine monolayer configuration, while two-stack lysine molecules resulted in 0.3-fold (in the plane orientation) and 0.26-fold (out of plane orientation) increases. These outcomes suggest that monolayers of lysine would specifically favor the conductivity. Experimentally, the assembly of graphene oxide on poly-L-lysine-TiO2 with sputter-deposited titania as a smooth and hydrophilic model substrate was investigated using a layer-by-layer (LBL) approach to realize the required composite morphology. Characterization techniques such as X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), atomic force microscopy (AFM), Kelvin probe force microscopy (KPFM), scanning electron microscopy (SEM) were used to characterize the formed layers. Our experimental results show that thin layers of rGO were assembled on the TiO2 using PLL. Furthermore, the PLL adsorbates decrease the work function difference between the rGO- and the non-rGO-coated surface and increased the specific discharge capacity of the LTO–rGO composite material. Further experimental studies are necessary to determine the influence of the PLL for aspects such as the solid electrolyte interface, dendrite formation, and crack formation.

Resumen. Los aglutinantes poliméricos son materiales altamente funcionales a la hora de producir electrodos estables que son eficaces para dispersar óxidos a base de litio como Li4Ti5O12 (LTO) y óxidos a base de carbono materiales y establecer la conductividad de los compuestos multifásicos. Hoy en día, aglutinantes como como se utilizan fluoruro de polivinilideno (PVDF), lo que requiere estrategias de reciclaje específicas debido a su baja biodegradabilidad y uso de disolventes tóxicos para disolverlo. Mejor estructuración de las capas de carbono y una cantidad baja de aglutinante podría reducir la cantidad de materiales inactivos en el electrodo. En esto estudio, utilizamos métodos computacionales y experimentales para explorar el uso del poliaminoácido poli-L-lisina (PLL) como un nuevo aglutinante biodegradable que se coloca directamente entre nanoestructurados LTO y óxido de grafeno reducido. Los cálculos de la teoría funcional de la densidad (DFT) nos permitieron determine que la superficie (111) es la superficie LTO más estable expuesta a lisina. Actuamos cálculos de conductividad eléctrica de Kubo-Greenwood (KGEC) para determinar la conductividad eléctrica valores para el sistema híbrido LTO-lisina-rGO. Encontramos que la presencia de la sustancia basada en lisina el aglutinante en la interfaz aumentó la conductividad de la interfaz cuatro veces en relación con LTO-rGO en una configuración de monocapa de lisina, mientras que las moléculas de lisina de dos pilas dieron como resultado 0,3 veces (en el orientación plana) y aumentos de 0,26 veces (fuera de orientación plana). Estos resultados sugieren que monocapas de lisina favorecerían específicamente la conductividad. Experimentalmente, el montaje de Óxido de grafeno sobre poli-L-lisina-TiO2 con titania depositada por pulverización catódica como una sustancia suave e hidrófila. El sustrato modelo se investigó utilizando un enfoque capa por capa (LBL) para realizar los requisitos necesarios. Morfología compuesta. Técnicas de caracterización como la espectroscopia de fotoelectrones de rayos X. (XPS), microscopía de fuerza atómica (AFM), microscopía de fuerza con sonda Kelvin (KPFM), microscopía electrónica de barrido se utilizó microscopía (SEM) para caracterizar las capas formadas. Nuestros resultados experimentales muestran que se ensamblaron capas delgadas de rGO sobre el TiO2 utilizando PLL. Además, los adsorbatos de PLL disminuyen la diferencia de función de trabajo entre la superficie recubierta con rGO y sin rGO y aumentó la capacidad de descarga específica del material compuesto LTO-rGO. Se realizan más estudios experimentales necesario determinar la influencia del PLL para aspectos como la interfaz del electrolito sólido, formación de dendritas y formación de grietas.