在能源领域的不断探索中，纤维素基固态电解质的研究取得了令人瞩目的进展，为电池技术的发展带来了新的契机。与此同时，手套箱在这类新材料的研发过程中发挥着不可或缺的重要作用。
一、纤维素基固态电解质的特性与优势
纤维素作为地球上丰富的天然高分子材料，具有诸多优异特性。它成本低廉、强度高且可生物降解，因此在纺织、造纸、生物医用、包装以及电子器件等众多领域都有广泛应用。在二次电池固态电解质（SSE）领域，纤维素凭借其出色的力学性能和电化学稳定性展现出巨大潜力。然而，纤维素的离子绝缘性曾一度限制了它的应用，使其只能局限于惰性支撑材料。
中国科学院化学研究所分子纳米结构与纳米技术院重点实验室曹安民课题组另辟蹊径，利用纤维素丰富的化学平台进行均相衍生化改性。通过绿色可扩展的工艺，成功将惰性的纤维素转变为高性能锂离子导体。他们所研发的纤维素基 SSE 表现出卓越的性能，锂离子电导率达到 1.09×10^{-3} S cm^{-1}，锂离子迁移数为 0.81，机械强度高达 12 MPa。
实验和理论分析揭示了其中的奥秘。在均相衍生化过程中，引入的邻苯二甲酸酯基团构建了多氧位点，极大地促进了纤维素骨架与 Li^{+} 的配位作用，进而创建了 Li^{+} 快速离子传输通道。同时，该基团还在纤维素链之间重塑了氢键网络，最终实现了高离子电导率和高强度的完美结合。这种纤维素基 SSE 还具有良好的兼容性，能够与多数商用正极材料相匹配，在固态 Li/SSE/LiFePO_{4} 电池中展现出高可逆容量及长循环稳定性。
这一研究成果基于纤维素分子工程，不仅突破了聚合物基电解质中高强度与高离子电导率难以兼具的难题，更为开发高性能固态电解质开辟了一条绿色可持续的新途径，充分展现了纤维素在电池领域的广阔应用潜力。相关研究成果以 “Molecular engineering of renewable cellulose biopolymers for solid-state battery electrolytes” 为题发表在《自然 - 可持续发展》（Nature Sustainability）上，研究工作得到了国家自然科学基金委员会和北京分子科学国家研究中心的支持，并由化学所和中国科学院物理研究所合作完成。
二、手套箱在纤维素基固态电解质研发中的关键作用
在纤维素基固态电解质的研发过程中，手套箱扮演着至关重要的角色。手套箱为新材料的研发提供了一个特殊的环境，主要体现在以下几个方面：
（一）控制实验环境
1. 隔绝水分和氧气
纤维素基固态电解质的制备对环境要求极为苛刻，其中水分和氧气的存在可能会对实验结果产生严重影响。手套箱能够提供一个高度密闭的空间，有效地隔绝外界的水分和氧气，确保实验过程中材料不受污染和氧化。在制备过程中，即使是微量的水分也可能与电解质中的成分发生反应，影响其性能。而氧气的存在可能会导致某些化学反应的发生，改变材料的结构和性质。通过手套箱的严格控制，可以保证实验在无水无氧的环境下进行，从而提高实验的准确性和可重复性。
2. 稳定的温湿度条件
除了水分和氧气，温湿度的稳定对于纤维素基固态电解质的制备也至关重要。手套箱可以通过内置的温湿度调节系统，将环境温湿度控制在一个合适的范围内。稳定的温湿度条件有助于保证化学反应的均匀性和稳定性，避免因温湿度波动而引起的材料性能变化。例如，在某些合成反应中，温度的微小变化可能会影响反应速率和产物的结构，而湿度的变化可能会影响材料的结晶度和纯度。手套箱提供的稳定环境为制备高质量的纤维素基固态电解质提供了有力保障。
（二）确保材料处理的安全性和纯净性
1. 防止材料污染
在新材料的研发过程中，材料的纯净性直接关系到最终产品的性能。手套箱可以防止外界杂质进入实验体系，避免材料在处理过程中受到污染。在纤维素基固态电解质的制备中，涉及到多种化学试剂和材料的使用，如果在普通环境下进行操作，很容易引入灰尘、微生物等杂质，这些杂质可能会与电解质成分发生相互作用，影响其离子电导率、机械强度等性能。而在手套箱中进行操作，可以最大程度地保证材料的纯净性，从而提高产品的质量和性能。
2. 安全处理敏感材料
一些用于纤维素基固态电解质研发的材料可能具有一定的毒性、腐蚀性或敏感性。手套箱提供了一个安全的操作空间，使研究人员能够在不接触这些危险材料的情况下进行实验。例如，某些锂离子电池材料在空气中可能会发生剧烈反应，甚至引发火灾或爆炸。在手套箱中，研究人员可以通过佩戴手套在密闭的环境中对这些敏感材料进行处理，避免了潜在的安全风险。同时，手套箱还配备了废气处理系统，可以将实验过程中产生的有害气体及时排出，保护环境和实验人员的健康。
（三）支持复杂的实验操作
1. 精确的材料称量和转移
纤维素基固态电解质的制备通常需要精确控制各种原材料的比例和用量。手套箱内配备了高精度的天平和气密性良好的转移工具，研究人员可以在手套箱内直接进行材料的称量和转移，确保了操作的准确性和精度。在普通环境下进行材料称量和转移时，可能会因为空气流动、静电等因素导致材料的损失或污染，而手套箱的密闭环境可以有效避免这些问题的发生。此外，手套箱还可以方便地进行不同容器之间的材料转移，为多步骤的实验操作提供了便利。
2. 原位测试和表征
在纤维素基固态电解质的研发过程中，需要对材料的性能进行实时监测和表征。手套箱可以与各种测试设备相结合，实现原位测试和表征。例如，可以在手套箱内安装电化学工作站，对制备的电解质进行电化学性能测试，如离子电导率、锂离子迁移数等。同时，还可以利用手套箱内的显微镜、光谱仪等设备对材料的微观结构和化学成分进行分析。原位测试和表征可以及时获取材料的性能信息，为实验的优化和调整提供依据，加快研发进程。
纤维素基固态电解质的研究进展为电池领域带来了新的希望，而手套箱在这一研究过程中的广泛应用，为新材料的研发提供了有力支持。通过控制实验环境、确保材料处理的安全性和纯净性以及支持复杂的实验操作，手套箱助力科研人员攻克了一个又一个技术难题，推动了纤维素基固态电解质技术的不断发展。相信在未来，随着技术的不断进步，纤维素基固态电解质将在能源存储领域发挥更加重要的作用，而手套箱也将继续为新材料的研发创新保驾护航。
纤维素衍生物基固态电解质制备过程（素材来源化学研究所）
