一般的に電池は2つの電極と電解質でできていて、電解質は電解液という液体を使用するのが一般的です。
しかし、固体の電解質を使用して全て固体でできた「全固体電池」が開発され、特に次世代EV車のバッテリーとして注目されているのです。
全固体電池とはいったいどのようなものか、解説します。
全固体電池とは？
電池は日常生活の様々な場所で使用されているのですが、非常に多くの種類があり使用目的に合わせて使い分けされているのです。
現在、充電して繰り返し使用できる電池として最も多く使用されている、リチウムイオン二次電池の構造について解説します。
二次電池というのは1回ごとの使い切りでなく充電して繰り返し使える電池のことで、リチウムイオン二次電池（LIB）は代表的な二次電池です。
リチウム化合物と黒鉛系物質を電極に使用していて、電解質を伝わるイオンはリチウムイオンとなっているためリチウムイオン二次電池と呼ばれています。
他の電池に比べて高電圧を出すことができ、エネルギー密度が高く充放電を繰り返しても劣化しにくいなど数多くの長所があるのです。
全固体電池はLIBの電解質を固体に変えることで、性能を飛躍的に高めようとして開発されました。
電池を全固体にするメリットがよくわからないという人もいると思いますが、固体になると発熱する可能性が低くなるので安全に使用できるのです。
従来の電池に使用されている電解質は可燃性なので、電池に大きな負荷がかかると発熱して燃えてしまう可能性があるのですが、固体なら燃えることがありません。
また、電解液は低温になったとしても充電や放電などの電池としての機能が低下しやすいのですが、固体になると温度変化によって影響を受けにくくなるのです。
特に耐熱性が高いため、応用先に期待されるEV車においては冷却装置が不要となり非常に大きなメリットとなります。
また、従来の充電池は充電に時間がかかってしまい、急速充電を行った場合は発熱してしまうため劣化しやすくなるのです。
しかし電解質が固体であれば発熱もしづらいうえ影響も受けにくいので、EVのように急速充電が求められる場合の用途に適しています。
全固体電池の問題点と今後の展望
優れた点が多い全固体電池ですが少なからず課題も残されており、現在電解質として有力なのが硫化物系と酸化物系ですが、それぞれ異なる問題点があるのです。
硫化物系はイオン伝導度が高いものの可燃性も高く、硫化水素が発生する可能性があり製造は200℃以下の低温で可能ですが湿度管理は必須となります。
酸化物系はイオン伝導度が低い代わりに可燃性も低く安全性が高いのですが、高温で焼成する必要があり、通常の環境で取り扱うことができるのです。
どちらか一方を選ぶのではなく、硫化物系であれば自動車のバッテリーなど大容量の用途に適していて、酸化物系は小型のデバイスのバッテリーに適しています。
硫化物系と酸化物系の両方に共通する最大の課題は、それぞれに適した素材を見つけるということです。
特に重要なのがイオン伝導率で、固体中では動きにくいイオンがなるべく動きやすい素材が必要となります。
また、固体だと電極の活物質と電解質が離れてしまう可能性があるため、どう維持するかが共通の課題として挙げられるでしょう。
電解質が液体なら流動体ですから活物質の形状が多少変化しても活物質と離れることはなく、接触したままになります。
しかし固体同士では活物質の膨張・収縮によって界面が剝がれたり、電極に亀裂が入ったりすることがあるため、強い力で締め付ける必要があるのです。
個別の課題として、硫化物系では硫化水素が発生する危険性を回避する方法が必須であり、EV車に搭載するのであれば交通事故でも安全性を確保する必要があります。
一方、酸化物系全固体電池は高温で焼成することで電極と電解質を固定する必要があり、熱によって電極と電解質が反応分解しないことが必要です。
２つを比較したとき、現時点で実用化に近いとされているのが硫化物系で、特に期待されているのがEV車への搭載なのでより適した素材を研究しています。
EV車の生産台数に伴って使用される全固体電池も量産しなくてはならないため、LIBと同様にシート状の正負極を重ねて作ることができれば量産に近づくでしょう。
また、材料としての評価や片方の極だけの評価ではなく、実際の電池と同じように正極と負極から構成される全固体電池の評価が必要となります。
これまで見えてこなかった性能や課題を具体的に指摘することで、次の段階も視野に入れた評価を行って可能性を広げていくことが大切です。
一方、酸化物系はイオン伝導率が低いため、少しでも伝導率が高い材料を探す必要があります。
大きなサイズでの焼結も難しく候補材料が少ないため、限られた材料の中でエネルギー密度を高めて車に搭載したときの航続距離を延ばす組み合わせを試行錯誤しているのです。
全固体電池が実用化して普及した場合は、世界中で開発競争が激化する中で日本も遅れをとることがなくなり、産業を支える基本技術の１つになります。
多方面への波及効果にも期待でき、ドローンや将来の空飛ぶ車などの空中移動体への搭載も考えられるでしょう。
EV以外ではIoT分野での活用にも期待でき、小型デバイスの電源などとして用いることができるようになれば市場の拡大に期待できます。
特に期待しているのは自動車メーカーや電池メーカーですが、他にも材料、半導体、セラミックなど様々なメーカーがあるのです。
全固体電池に対しては、トヨタ自動車株式会社が数年以内に実用化することを目標としています。
同社の年間350万台という生産量に合わせた生産が実現され本格的に普及していけば、他のメーカーでも取り入れる可能性が高いでしょう。
まとめ
全固体電池というのは、現在は液状である電池の電解質を固体にした電池のことで、安全性が高く温度変化にも強いという長所があり、特にEV車のバッテリーに期待されています。
しかし課題も多く、現在は硫化物系と酸化物系の電解質が研究されているのですがそれぞれ特徴があり、異なる問題点があるためどちらもまだ実用化には至らないのです。
自動車メーカーをはじめ多くのメーカーが注目しているため、実用化も近いかもしれません。
