これからの時代、自動車はガソリン・エンジンから、モーター駆動の電気自動車（EV）が主流になろうという状況で今、「全固体電池」の研究開発が急激に進んでいます。
電池は、正極（＋）と負極（－）の異なる2つの活物質と、その両方に接している電解質から構成されています。これまで電解質といえば液体でしたが、それを固体にしてすべて固体で構成した電池を「全固体電池」と呼びます。
従来のリチウムイオン二次電池に比べ、温度変化に強い、発火リスクが小さいといった安全性、充電1回当たりの走行距離が長い、ガソリン車の給油並みに急速で充電ができる、などの期待が大きくなっています。
従来型のリチウム電池とは？
電池を性能や形などで分類すると、まず、乾電池や充電式電池などの内部の化学変化によって電気を起こしてエネルギーを取り出す化学電池、太陽電池など物理的なエネルギーを電気エネルギーに変換する物理電池の2つに分かれます。さらに化学電池でも乾電池などの充電できない電池を一次電池、充電すれば繰り返し使える電池を二次電池と分類しています。二次電池には、ニッケル・水素電池、ニッケル・カドミウム電池（ニカド電池）、リチウムイオン二次電池、鉛蓄電池などが含まれます。
今のEV電池の主流である「リチウムイオン電池」の仕組みをおさらいしておきましょう。リチウムイオン電池は主に、正極と負極、正極と負極を分けるセパレータ、そしてその間を埋める電解液で構成されています。
液体電解質の電池で、充電時にエネルギーを貯める時の様子：東芝（株）のウェブサイトより
1.充電器で電流を流す。2.正極側にあるリチウムイオンが電解液を通って負極側に移動。3.正極と負極の間に電位差が生じて電池が充電される。
正極と負極はそれぞれリチウムイオンを蓄えられるようになっており、このリチウムイオンが電解液の中を通って正極、負極と移動することで、エネルギーを貯めたり使ったりすることができます。因みに、電子はマイナス極からプラス極の方向に流れます。
固体電解質を使うメリット
従来の液体電解質を使う電池では、一次、二次を問わず、電解質の蒸発、分解、液漏れ、発火、劣化といった問題がありました。この電解質を不燃性の無機系固体電解質で構成することができれば、これらの問題を解決することが可能です。そして、固体電解質の耐熱性や電気化学的安定性から高性能な電極材料も使うことが可能となります。その結果「高容量・高出力・高速充電・長寿命・低コスト化」が全て実現できるメリットがあります。
電解質を固体にする研究はかなり以前から着手されていたのですが、残念ながら実用化されたものはあまりありませんでした。問題は無機系固体電解質のイオン伝導性（電子を運ぶ効率）の低さでした。しかし最近、主に硫化物ベースの無機系固体電解質のイオン伝導性の改善が達成され、電気自動車の普及とともに、各国で研究開発が活発化しています。
既存の全固体電池は主に硫化物系固体電解質を使っており、不燃性で広い範囲の電位で電気化学的に安定しています。
また、硫化物イオンは酸化物イオンよりも大きな分極率を示すため、室温でも高いリチウムイオン伝導度を発揮します。成形も室温加圧のみで十分という優れた加工性を持ちます。硫化物ベースの全固体電池に使われるレアメタルは、従来からのリチウムイオン二次電池と比べて少量ですみます。製作時の二酸化炭素排出量も大幅に削減でき、電気自動車用バッテリーに用いた場合は、約4割近く削減できるとされています。
実用化に向けて現在、多くの自動車メーカーや電機メーカーが生産体制の構築に盛んに投資をしており、一部の小型のものでは量産製品化も始まっています。
2022年11月に、住友化成、京都大、鳥取大が加圧部品が不要な「柔固体電池」を試作して、1キログラムあたり230ワット時の容量で安定作動を実現しました。薄膜型の固体電池です。これにより電池の部品点数が少なくなり、大幅なコスト削減が可能になったのです。
今後の課題
より高い密度のエネルギーレベルの達成、耐熱性の向上を追求することで、冷却機構の体積や重量を大幅に低減する技術が求められます。量産体制を整えるために、新たな生産ラインへの初期投資も必要となるでしょう。
今後、経済産業省主導で官民一丸となり、国を挙げて研究開発と量産に全力を注ぎ、経済安全保障をも達成しなければなりません。そして、全国レベルでの充電サービス体制を確立していくことも課題となります。
2023 新春スペシャル
となりのおじさん
在米35年。生活に密着した科学技術の最新応用に興味を持つ。コラムへのコメントは、 [email protected]まで
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