全固体電池の種類やメリットと課題、利用用途を解説!
実用化はいつ?

「全固体電池」は、リチウムイオン電池を超える高い性能を期待され、本格量産・実用化に向けた研究開発が進められている注目の二次電池です。

全固体電池の具体的な利用用途や実用化の見通しに関して、疑問を持つ方は多いでしょう。

本記事では、全固体電池の種類やメリット、現在抱える課題を解説するとともに、具体的な利用用途も紹介します。

全固体電池の実用化の見通しにも触れるので、全固体電池の知識を深め、製品への導入をご検討ください。

 

全固体電池とは?概要を解説

全固体電池は、電解質を含む全ての材料が固体で構成された二次電池(蓄電池)です。

電解質は電流を発生させるために必要となる電池の材料で、従来は液体やゲル状のものが使われてきました。なぜなら、「固体の電解質では高い性能の電池は作れない」と考えられていたためです。

しかし、近年は研究により有効な素材が見つかり、全固体電池の実用化に向けた取り組みが進められるようになりました。

電池に固体の電解質を用いると、様々なメリットが得られます。例えば、液漏れの心配がないため、薄くする、折り曲げるなど加工の自由度が高く、多様な形状や構造を実現できます。

さらに、固体の電解質は劣化しにくく、高温・低温にも強いので電池の寿命が長くなり、様々な環境で利用できる点も大きなメリットです。

こうしたメリットから、全固体電池の性能は、似た仕組みを持つ液体リチウムイオン電池を超える可能性があると期待されています。

現時点では量産技術が確立されておらず、本格的な普及にまで至っていませんが、今まさに自動車メーカーや電機メーカーが実用化に向けて開発を進めているところです。

全固体電池の材料や素材

全固体電池は、名前のとおり正極・負極・電解質の全てに固体の材料を用います。 全固体電池に使われる電解質の素材は、酸化物系(セラミック系)・硫黄物系・ポリマー系の3つがあります。

酸化物系の素材は、耐久性の高さと長寿命が特徴です。また、小型化も可能ですが、容量が小さいため大容量・高出力が必要な製品には不向きとされます。

硫黄物系の素材は、大容量・高出力が特徴で、製造方法や素材の選択の幅が広い点がメリットです。硫黄を含む化合物が主原料のため、発火や硫化水素の発生リスクがありますが、安全性は液体リチウムイオン電池より高いといわれています。

ポリマー系は、酸化物系・硫黄物系に続き開発が進められている素材です。弾力性があるため、充電・放電の繰り返しや温度変化による劣化を防げると期待されています。ただし、現在は容量の少なさや安全性の面で課題が残っています。

全固体電池とリチウムイオン電池の違い

全固体電池と液体リチウムイオン電池は、どちらも充電し繰り返し使える二次電池に分類されます。また、両者は電流を発生させる仕組みも似ており、電解質を介してイオンが正極・負極を移動することで充電・放電が行われます。

固体電池とリチウムイオン電池は類似点が多いため、両者の違いが気になる方もいるでしょう。固体電池とリチウムイオン電池の大きな違いは、「電解質」にあります。

液体リチウムイオン電池は、電解質が液体です。そのため、液体リチウムイオン電池は電解質の蒸発や液漏れによる電池の不具合や安全上の懸念があります。

一方、全固体電池は電解質が固体です。固体の電解質を用いることで、液体リチウムイオン電池が抱えていた電解質の蒸発や液漏れのリスクを解消できます。

液体リチウムイオン電池の詳細は以下の記事でも説明しているので、液体リチウムイオン電池についてより詳しく知りたい方は、以下の記事もあわせてご覧ください。

▶関連記事:リチウムイオン電池の種類は?材料・形状の特徴と安全性・用途を解説

全固体電池の種類は?形状や製造方法による分類

全固体電池は、製造方法によって大きく「バルク型」と「薄膜型」に分類され、それぞれ蓄えられるエネルギーの量が異なります。

「バルク型」の全固体電池は、電極や電解質の材料に粉体(粉や粒などが集まったもの)が使われています。サイズが大きいデメリットはあるものの、大容量・高出力に対応でき、より蓄えられるエネルギーが多く、大容量の電池を作ることができます。主に、電気自動車など大きなものに使用することを想定しています。

一方、「薄膜型」の全固体電池は、真空状態で電極の上に薄い膜状の電解質を積み上げる方法で製造される電池です。蓄えるエネルギーの量が小さくて大きな容量は出せません。ただし、リサイクル寿命が長い、製造しやすいなどのメリットがあります。小型なのでセンサーなど小さなデバイスに使用するのに向いています。

全固体電池のメリット  

全固体電池は、電解質が固体だからこそ生まれる様々なメリットを持っています。全固体電池のメリットを詳しく解説します。

液漏れ・発火・凍結リスクが低く、安全性が高い
全固体電池は電解質が固体のため、電解質が液体のリチウムイオン電池に比べて安全性が高いといわれています。

その理由は先にも少し触れましたが、電解質が固体の全固体電池は液漏れのリスクがない ためです。液漏れは電池の不具合を招くだけでなく、発火を引き起こしたり、 人体に有害な影響を与えたり する恐れがあります。

また、固体の電解質を用いることにより、高温・高圧の環境下でも電池の発火リスクが低くなる メリットが得られます。低温の環境下で電解質が凍結する心配もない ので、全固体電池は様々な用途への活用が可能です。

自由に設計しやすい
液漏れリスクのあるリチウムイオン電池は、どうしても形状や構造に制限が生まれます。

一方、液漏れの心配がない全固体電池は、小型化や薄型化、大容量化、重ねる、折り曲げるなど自由な設計がしやすく、様々な形状や構造に対応可能 です。

寿命が長い
電池の寿命は電解質の性質によって決まります。液体リチウムイオン電池は、他の二次電池のような電池反応を利用しないため、電極の劣化が少なく寿命が長いですが、長期間使用していると電解質の劣化が見られ性能が低下します。

一方、全固体電池の電解質は液体よりも劣化が少ないので、さらに寿命を延ばすことが可能です。

対応可能な温度域が広い
全固体電池は作動温度範囲が広いため、高温もしくは低温の環境下でも安定した性能を発揮します。

特に、高温に対応できることにより生まれるメリットは大きいです。まず、全固体電池は急速充電時に発生する熱にも耐えられるため、リチウムイオン電池より急速な充電ができます。

また、全固体電池は冷却の必要がないので、特別な冷却装置が不要です。そのため、多くの電池を搭載し大容量化もできます。

急速充電や大容量化が可能な全固体電池を電気自動車に使えば、従来よりも利便性を高めるとともに、航続距離を伸ばすこともできるでしょう。

全固体電池が抱える今後の課題

全固体電池には多くのメリットがある一方、改善すべき課題もあります。

  • 界面抵抗の大きさ
  • 電極と電解質の密着性
  • 安定した製造技術

一つ目の課題は、界面抵抗の大きさです。全固体電池は、リチウムイオン電池より電極と電解質の界面抵抗が大きく、電池の出力を上げにくい問題があります。ただし、現在液体の電解質と同等の伝導性のある材料の開発が進んでいるため、今後改善が進むと思われます。

二つ目の課題は、電極と電解質の密着性です。電池が高い性能を発揮するには、電極と電解質が常に密着している必要があります。液体の電解質であれば、常に変形するので電極が少々変化しても密着し続けることができます。

これに対して、固体同士では常に密着することが難しい課題があります。さらに、電極や電解質に亀裂が入ったり、接触部が剥がれたりすると、電池の性能低下や不具合の原因となるため、今後の開発による克服が必要です。

三つ目の課題は安定した製造技術です。例えば、全固体電池は、材料によって酸化物系、硫化物系、窒化物系などがありますが、硫化物系の全固体電池に使用されている固体電解質は、大気中の水分でも変質するくらい水分に弱い性質があります。

したがって、全固体電池の生産にはレベルの高い水分管理が求められるドライルームなどの専用設備の導入が必要です。

全固体電池の主な利用用途と実用化の見通し

全固体電池の主な利用用途は、身近な電子機器や電気自動車から、飛行機・宇宙空間の分野まで広がる可能性があります。

例えば、高温に強く、基盤に貼れるほど薄い薄膜型の全固体電池は、パソコンやスマートフォンなどの電子機器の電源に最適です。大容量・高出力に対応可能なバルク型の全固体電池は、飛行機や船などの大型輸送機器に活用できるでしょう。

また、全固体電池は対応可能な温度域が広いため、過酷な環境下での作動を求められる電気自動車や宇宙空間でも真価を発揮すると考えられます。

特に、電気自動車分野での全固体電池の実用化には、大きな期待が寄せられています。電気自動車に使われているリチウムイオン電池が全固体電池に置き換われば、充電時間短縮や発火リスクの低減、大容量化による航続距離の伸長が期待できるためです。

現在、自動車メーカーや電機メーカーが、全固体電池の実用化に向けた開発を進めています。例えば、トヨタ自動車株式会社と出光興産株式会社は、協業で2027年から2028年の間に全固体電池搭載の電気自動車の本格量産・実用化を目指すことを発表※しました。

今から数年後には、全固体電池を搭載した電気自動車があたり前の世の中が到来するのかもしれません。

※出典:トヨタ自動車株式会社「出光とトヨタ、バッテリーEV用全固体電池の量産実現に向けた協業を開始」

「BATTERY JAPAN 二次電池展」で全固体電池の知識を深めよう

全固体電池の知識を深めるには、インターネットや本での情報収集の他、展示会に来場する方法があります。全固体電池の情報がほしい方や導入を検討中の方は、「BATTERY JAPAN 二次電池展」へご参加ください。

BATTERY JAPAN 二次電池展とは、二次電池の研究開発や製造に必要な技術・部品および材料・装置が集まる電池分野世界最大級の展示会です。2050年カーボンニュートラル実現に向けた、全固体電池を含むバッテリー技術の情報収集が行えます。

二次電池メーカーで研究開発や設計、生産・製造技術に携わる方、全固体電池を導入検討中の方は、来場すれば全固体電池や二次電池に関わる情報を収集できます。部品・材料や装置を間近で見られるだけでなく、出展社との具体的な商談も可能です。

展示会来場を希望される場合は、インターネット上で事前に来場登録(無料)が行えます。

また、BATTERY JAPAN 二次電池展には出展者として参加する方法もあるため、二次電池の製造・販売に関わるメーカーや商社の方は、当展示会への出展をご検討ください。

展示会には、全固体電池をはじめとする二次電池への関心の高い方々が来場します。世界中から人が集まる本展では、技術提案や業務提携などの商談ができ、新規リード獲得に繋がるかもしれません。

来場者の方、出展社の方ともにメリットのある展示会のため、ぜひ参加をご検討ください。

「BATTERY JAPAN 二次電池展」出展・来場案内はこちら

 

全固体電池の実用化に向けて最新情報を収集しよう

全固体電池は固体の電解質を用いた二次電池で、液体の電解質が使われているリチウムイオン電池よりも、さらに高い性能と安全性が期待されています。ただし、まだ量産技術が確立されておらず、実用化には課題が残っているのが現状です。

全固体電池が実用化されれば、電子機器や飛行機、宇宙空間などの幅広い分野に利用できる可能性があります。特に電気自動車の分野では大きな期待が寄せられており、全固体電池実用化に向けた動きも見られます。

近い将来、全固体電池が実用化される日がやってくる可能性を考えると、二次電池の導入を検討する際は、全固体電池も選択肢のひとつとなるかもしれません。

全固体電池を含む二次電池の情報を効率良く収集したい方は、ぜひBATTERY JAPAN 二次電池展へご参加ください。

「BATTERY JAPAN 二次電池展」詳細はこちら

▶監修:近藤 元博(こんどう もとひろ)
肩書:愛知工業大学 総合技術研究所 教授
プロフィール:1987年トヨタ自動車に入社。生産工程から排出する廃棄物や、使用済み車両のリサイクルなど幅広い分野で廃棄物の排出削減、有効利用技術の開発導入を推進。「リサイクル技術開発本多賞」「化学工学会技術賞」他資源循環、サーマルリサイクル技術に関する表彰受賞。2020年から現職。産学連携、地域連携を通じて資源問題、エネルギー問題に取組中。経済産業省総合資源エネルギー調査会 資源・燃料分科会 脱炭素燃料政策小委員会 委員他