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全固体電池とは
全固体電池とは、液体またはゲル状の電解質を用いる従来のリチウムイオン電池とは違い、固体材料を利用した電池です。全固体電池は、発火のリスクを低減し安全性の高い電池であり、温度変化に強い特徴があります。
また、全固体電池は高いエネルギー密度・電流出力能力があるため、リチウム電池に取って代わる存在になることが期待されています。
ただし、まだまだ課題も多く、実用化に向けた研究が進められています。EV向けの電池では急速充電が求められており、温度変化に強い全固体電池の活用が期待されているため実用化を目指し開発が進められています。
全固体電池の仕組み
全固体電池の仕組みについて簡単に解説します。
全固体電池も通常の電池と同様、プラスとマイナスの2つの極で構成されています。リチウムイオンの移動に液体やゲルを利用せずに、固体電解質を利用するのが全固体電池の特徴です。イオンが電解質を移動することで電子の流れが生じて電流を生み出します。
従来の電解質が固体の場合は、リチウムイオンが移動できず電気を発生させることができませんでした。しかし、十分な電流が発生する電解質の素材が見つかったことで今後実用化が期待されています。
全固体電池の種類
全固体電池は、形状や電解質などの違いによって分類できます。全固体電池の種類について、以下の表にまとめます。
| 分類 | 種類 | 特徴 |
| 形状による種類 | バルク型 | 大容量でハイパワーだがサイズが大きく形状に制約がある。 |
| 薄膜型 | 小型で柔軟・高耐久・長寿命だが容量とパワーに制限がある。 | |
| 電解質による種類 | 酸化物系（セラミック系） | 安全性が高く耐久性も高い。構造に自由が効くが容量が少ない。 |
| 硫化物系 | 大容量でハイパワーだが可燃性・毒性があり危険度が高い。 | |
| ポリマー系 | 生産性が極めて高く、高耐久だが容量が少なく比較的安全性が低い。 |
現時点では、高耐久長寿命で小型化が可能な特性を持つ酸化物系の全固体電池の普及が進んでいます。酸化物系の全固体電池は薄型で構造に自由が利くため、デジタル機器での利用が進んでいます。ただし、酸化物系の全固体電池は容量が少ないため、EV向けに利用できるレベルには達していません。
酸化物系のデメリットをフォローできるのが硫化物系の全固体電池です。大容量でハイパワーであるためEVでの活用も期待できますが、硫黄を主原料としているため発火のリスクがあり、硫化水素という毒ガスを発生させる課題があります。
全固体電池で実現できること
全固体電池の実現によって、世の中はどのように変わっていくのでしょうか。
全固体電池はEV（電気自動車）での活用が期待されています。現在のEVにはリチウムイオン電池が使われているため、ガソリン車と比べて充電に時間がかかってしまう課題があります。
全固体電池がEVに使用されると急速充電を実現でき、EVの発展につながります。ガソリン車よりもEVを購入する人が増えると、地球環境に優しい社会へつながります。
また、全固体電池は大容量でハイパワーなため、パソコンやスマートフォンなどの小型の電子機器での利用が期待されています。他にも、外部環境の変化に強いため飛行機や船、宇宙空間での活用が期待されています。
全固体電池の市場規模
全固体電池の普及に向けて、徐々に課題が改善されていく見込みです。2027年～2028年にEVへの搭載が目標とされており、市場規模は3,000億円になると予想されています。
EVでの事例が増えると全固体電池は急速に広まり、2040年には3兆8,605億円ほどに成長すると考えられています。
全固体電池を実用化するメリット
全固体電池を実用化するメリットは、以下のとおりです。
【全固体電池を実用化するメリット】
- 安全性が高い
- 構造や形状が自由になる
- 小型でありながら大容量化ができる
- 丈夫で寿命が長い
全固体電池は、発火のリスクが低減されて高い安全性を期待できます。電池が熱を持たなくなると、急速充電が可能になり、寿命も長くなるメリットがあります。
ここでは、全固体電池のメリットについて解説します。
安全性が高い
リチウムイオン電池は、液体の電解質に有害物質が含まれており、液漏れなどを起こすと深刻な事故につながる可能性があります。電解質が固体になれば、液漏れの心配がないため安全性が高くなります。
幅広い温度に耐えられる点も安全性が高い要因です。電池が熱を持たなくなるため、発火のリスクを低減できるメリットがあります。
構造や形状が自由になる
リチウムイオン電池と違い、全固体電池は液漏れが起こらないため液漏れを防止するための構造が不要になります。これまでのような制約がなくなり、構造や形状を自由に設計できるようになります。
全固体電池を小型化・薄型化でき、今までの形にとらわれず重ねたり折り曲げたりできる点もメリットです。
小型でありながら大容量化ができる
全固体電池は小型化が可能で、多重構造にすれば大容量の電池を作れるようになります。それにより、EVや小型の電子機器での活用が期待できます。
丈夫で寿命が長い
全固体電池の電解質は、リチウムイオン電池の電解液に比べて劣化が少なく寿命が長いことが特長です。多少であれば傷がついても電池の性質を失わず、熱や圧力にも強いためさまざまな環境下で使用できます。
一方リチウムイオン電池は、電解質や電極活物質の副反応が起こりやすく、使い続けると性能が徐々に落ちていきます。性能が低下すると、十分な電流を流せなくなってしまいます。
全固体電池はリチウムイオンだけが固体電解質内を移動するため、丈夫で寿命を伸ばすことが可能です。
全固体電池実用化のデメリットと課題
全固体電池は今後の実用化が期待されている一方で、実用化に至るまでの課題も多くあります。全固体電池の課題は以下のとおりです。
- イオンが動きやすい固体を探しだす必要がある
- 活物質と電解質の接合の維持が難しい
全固体電池はまだ課題が多いのですが、将来的な利用価値が高いため世界中で開発競争が激化しています。日本も世界に遅れをとらないように、製造体制と研究体制を整えておく必要があります。
ここでは、全固体電池の課題について解説します。
イオンが動きやすい固体を探しだす必要がある
全固体電池を製造するためには、リチウムイオンが動きやすい固体材料を探す必要があります。基本的に固体は液体よりもイオンが動きにくいとされていて、イオンがより動きやすい固体物が求められています。
現時点では、イオンが動きやすいとされる有力な固体が2種類あります。
- 硫化物系：大容量に適しており室温で作成できるが温度管理が重要。硫化水素が発生する可能性が高い点がデメリット。
- 酸化物系：小型のデバイスに適しており通常環境での取り扱いが可能。安全性も高いがイオン伝導度は高くなく、大容量のバッテリーなどには不向き。
活物質と電解質の接合の維持が難しい
これまでのリチウムイオン電池は、電解質が液体で流動体のため電極と電解質が密着した状態になっています。
全固体電池は、固体と固体を常に密着させることが難しく、活物質と電解質の接合が難しい点が課題です。活物質と電解質の接している面が剝がれたたり、電極に亀裂が入ったりしてしまいます。
硫化物系全固体電池は、強い力で電池を締め付けた方が密着した状態になるため、良い性能を示します。ただし、電池を締め付けて固定するためには、重い部品を積まなくてはならないため接合の維持に大きな課題があります。
全固体電池の実用化に向けて日本産業が取り組むべきこと
全固体電池の実用化は、世界中で開発競争が激化する中で急激に進んでいます。
例えば、トヨタ自動車では2027~2028年を目標に、EVの性能を向上させる全固体電池の実用化を目指しています。これまではハイブリッド車での搭載を実用化する予定でしたが、電池の耐久性を克服する技術を見出したため、10分以下の充電時間を実現するEVへの搭載にシフトしました。
全固体電池の普及に伴って、日本産業にも新しい変化が起こります。全固体電池の開発と普及に積極的に取り組むことで、新しいビジネスチャンスも生まれていきます。
全固体電池の製造・供給の体制を整える
全固体電池の開発と合わせて、製造・供給体制を整えなければなりません。上述したとおり、トヨタ自動車が2027～2028年で全固体電池の普及を目指しています。年間325万台の生産量があることを考えると、全固体電池も同様の規模で生産する必要があります。
製造設備や供給体制が整っていないと生産台数を制限しなくてはならず、普及スピードが落ちてしまいます。世界でも競争は激化しているため、乗り遅れないようにするためには国内での連携が大切になります。
全固体電池技術開発への参入
全固体電池の普及はEVに代表される自動車メーカーのイメージが強いですが、他のメーカーも注目しています。全固体電池に関係する材料・セラミック・半導体のメーカーが携わり、開発や研究を進めていくことが望ましく、各社が持っている強みを連携し、全固体電池の開発にどう活かしていくかが求められています。
まとめ
全固体電池は、安全性が高く寿命が長い次世代の電池です。小型で大容量、急速充電が可能であることからEVやデジタル機器での実用に向けて世界中で開発が進められています。
全固体電池は様々な可能性を秘めており、実用化することで私たちの生活が豊かになります。実用化に向けたこれからの動向に注目したいところです。
