皆さんは全固体電池って聞いた事がありますか。
通常電池には液体が使われていますが
全固体電池は名前からもわかるように個体しか使われていません。

この全固体電池を実際の商品として使うのは難しいのではと言われてきたのですが、
ついに日本で実用化が実現する可能性が出てきたというのです

さっそく見ていきましょう

全固体電池とは

まずは全固体電池とはどのようなものか
簡単におさらいしてみましょう。

 

現在使用されている電池は電解室は液体です
電池は電極をイオンが移動することでエネルギーが起きる仕組みです

例えば水の中を泳ぐなと粘着性の高い液体の中を泳ぐのを想像すると水の中の方が圧倒的に泳ぎやすいですよね
イオンの移動もこれと同じです。

そしてイオンの移動がスムーズな方が電池のエネルギーを高めることが簡単なので、電池の電解質には液体が使われるのです。

しかしリチウムイオン電池には安全性や性能に課題があります。
これらを解消するために固体の電解質を使ってみたらどうなるという考えが生まれたのです。

全固体電池は大きくわけてバルク型と薄膜型があります
薄膜型は小型な家電製品向けであり、電気自動車など大きなものには使用できませんが実用化は既にされています。

一方を電気自動車にも使用できるバルク型はまだ実用化には至っておらず注目を集めています
ではなぜ全固体電池に期待が寄せられているのでしょうか

その秘められたポテンシャルをご紹介しましょう

安全性が高い

全固体電池にも期待を寄せられている点がなんといっても安全性です。

リチウムイオン電池は電解液にもえやすい物質を使用しています
そのため万が一液漏れすると発火事故につながる可能性があるのです

現在リチウムイオン電池を飛行機に預けることはできませんよね
これは気圧の変化で電解質が漏れてしまい発火事故が起こる可能性があるためです。

しかし電解質を固体にできればそういった事故を防ぐことができます。

温度の変化に強い

リチウムイオン電池は使える温度に制限があります
高温でも低温でも電池として使用できないため使えるシーンが限られていました。

しかし全固体電池は低温にも高温にも強いという特性があります
特に高温に強いという特性は大きな強みとなります

高温になっても大丈夫ということは、温度の上昇を抑える工夫をする必要がなく、
その分電池を入れるための容量が少なくてすむのです

寿命が長い

電池を何度も充電しているうちに電池の容量が少なくなったという経験を誰もが一度はしたことがあるのでは。
これは電解液の中をリチウムイオンが移動するときにそれ以外の不純物なども一緒に移動してしまいます
それによりいらない反応が起きてしまい、それが劣化の原因となります。

しかし全固体電池はそういった心配がないため劣化しにくいのです
実際に現在使用されている膜薄型では 充電を繰り返しても寿命が短くならないとすでに証明されています

出力を高められる

 

全固体電池の研究は1970年代から始まりました
50年前から研究がされているなんて驚きですよね
しかしその頃は高出力化は難しいとされていました

ところが現在はリチウムイオン電池よりさらに高い出力が可能だとされています
これは一体なぜなのでしょうか

これには二つの要因が挙げられます
一つは固体電解質の研究開発の進展です

全固体電池の課題の一つに個体の電解質だとイオンの伝導度を高められないというものがありました
しかし2011年に東京工業大学の研究グループが室温で液体の電解質と同じようなリチウムイオン電導度を持つ有価物系固体電解質を発現しました。

その後2016年にも同じ研究グループがさらに伝導度の高い固体電解質を発見しました
もう一つは全固体電池の内部抵抗の軽減に成功したことです

全固体電池で充電と放電をよりスピーディーに行うためには
伝導度を高めるだけではなく電極活物質と

電解質の抵抗を減らさなければなりません。

そこで国立研究開発法人物質材料研究機構の研究グループが個体の電解質の界面に緩衝層を設け抵抗を減らしたのです。
どちらも日本の研究グループが成果を上げたことは誇らしいですね

形状の制約が少ない

全固体電池は安全性が高いため形状への制約が少なくなる点もメリットの一つです
例えば電池を薄くする、折り曲げる、何層にも重ねるなど、用途に合わせて形状を自由に変えられます

また熱に強いため正極や負極に使う素材などを変えることができ電池の小型化も可能です
これらの利点によって全固体電池はリチウムイオン電池を凌駕すると期待されています

全固体電池の課題

全固体電池は一つも欠点のない素晴らしい電池に見えますよね
しかしまだまだ課題もあります一番ネックになっているものに量産体制を作ることが難しいということがあります

これまでのリチウムイオン電池の製造工程を使って量産することはできないため量産態勢を一から組み直さなければならず一筋縄にはいかないのです

また充電や放電によって電池の中身が壊れないよう、
高い高速圧力が必要となることや電解質の中で金属リチウムが析出してしまうことなどの課題もあります
全固体電池を実用化にこぎ着けるにはこうした課題を一つ一つ解決することが必須です
しかしこの電池にはまだまだ改善の余地があり今後の展開には期待が持てそうですね

日本における全固体電池開発の未来

では今後日本の全固体電池はどのような進化を遂げるのでしょうか
日本の企業で全固体電池に注目するところの中で特に成果を見せているのがトヨタ、村田制作所、 tdk の3社です。
これらの企業はそれぞれ独自の技術を開発し成果を上げています
現在全固体電池の実用化が目前に迫っているのが村田製作所です

村田製作所が開発したものは電解質に酸化物セラミックスを用いたものです
こちらの注目ポイントは容量の大きさ。なんと業界最高水準なのだそう

 

なおこの電池はウェアラブル機器や iot 機器などの使用を想定しており2020年度中の量産を予定しています
tdk が開発したものも同じタイプです。

トヨタは難しいと思われていたバルク型の全固体電池を搭載した電気自動車を
オリンピックに合わせて発表するとしていました。

現在開発競争が激化する電気自動車ですが、トヨタはこういったハイブリッド車にリチウムイオン電池は採用していませんでした
それは安全性の懸念があったからです。

しか少し全固体電池を搭載できればそういった懸念は払拭されますね
実際2019年の走行実験は成功を収めました。

トヨタは全固体電池の実用化ができれば電気自動車へのシフトを考えているそうです
全固体電池を搭載した電気自動車をオリンピックの時期に本当に発表できるのか今から楽しみですね。

リチウムイオン電池にはこれ以上の性能は見込めないため新たの電池の開発が急がれています
そんな中全固体電池がリチウム電池の後釜となれるのか気になるところですね

全固体電池は今後もまだまだ性能がアップしていくでしょう
また現在日本ではナトリウムを使用した全個体ナトリウムイオン電池の研究も行われています

これが実現できれば価格を下げることも可能となり
電池の勢力図を塗り替えられるかもしれません

これまで電池の開発をリードしてきた日本
全固体電池の研究開発も世界をリードしてほしいですね

 

今後の研究に期待しましょう