全固体電池とは？仕組みや種類、メリット・デメリットなどを解説

全固体電池とは、従来のものとは異なり固体で作られた電池です。安全性が高く、寿命が長いといった特性から、電気自動車やさまざまな分野への実用化が期待されています。
この記事では製造業や製品開発に携わる人に向け、全固体電池について解説します。種類やメリット・デメリット、用途も解説しているので参考にしてください。

全固体電池とは

全固体電池とは、電流を発生させるための電解質を固体に置き換えた電池のことです。液体やゲル状の従来の電解質に比べて、高い性能を持ちます。耐熱性が高く、寿命が長く、環境変化に強く、安全性の高さが特徴です。固体であることから構造や形状が自由で、薄型、小型、大容量化も可能です。

実用化は開発途中の段階ですが、電気自動車への搭載、医療、工場自動化などのさまざまな分野への活用が期待され、多くの企業が開発に取り組んでいます。

全固体電池の仕組み

リチウムイオン電池とほとんど変わらない仕組みです。電極の材料には金属が使われ、イオンが電解質を通って正極・負極の間を動き回ることで、電気の流れが生まれます。大きな違いは、リチウムイオン電池では電解質が液体、全固体電池では固体という点です。

これまでは高い性能を発揮できるのは液体のみと考えられていましたが、近年の研究で十分な電流が発生する電解質の素材が見つかりました。固体になると、両極の液体が混ざるのを防ぐセパレータが不要になります。

全固体電池の種類

全固体電池は、製造方法によって主に2種類に分類されます。ここでは、種類と特徴について解説します。

バルク型全固体電池

バルク型はリチウムイオン電池と仕組みが似ていて、正極、負極、電解質に粉や粒を集めた粉体が使われます。電極を厚くしやすく、蓄えられるエネルギー量が多いため、大容量の電池を作ることが可能です。

主に電気自動車のバッテリーといった大きなものに使用することを想定しています。実用化に向けては粉体材料の粒子間接触の確保や、電池抵抗の低減が課題となっており、高い誘電率の電解質の開発が求められています。

薄膜型全固体電池

薄膜型は、真空状態で電極の上に薄い膜状の電解質を積み上げて作られる形式です。各材料層が薄いため、バルク型よりも蓄えられるエネルギー量が少なく、大きな容量は期待できません。

しかしリサイクル寿命が長く、長持ちするのが特徴です。製造しやすく、小型であるため、センサーといった小さなIoTデバイス向きで、実用化されています。今後は容量を増やすための積層化や大面積化が課題です。

全固体電池のメリット

従来の電池に比べて、優れた特性を持つ点に期待が寄せられています。ここでは、メリットについて解説します。

幅広い温度に耐えられる

熱や温度変化に強く、幅広い温度変化に耐えられます。リチウムイオン電池の電解質は液体であるため、低温では粘度が高くなります。イオンの動きが鈍くなり電圧が下がることがありますが、全固体電池は凍らないため性能はほとんど変わりません。

またリチウムイオン電池は高温環境で電解液の蒸発温度に達し、電池として機能しなくなりますが、全固体電池は可燃性の材料が不使用のため、安定して性能を発揮できます。

急速充電ができる

熱に強く、大きな電力での急速充電が可能です。電池は急速に充電するほど熱を保つため、高温下で性能劣化のリスクがあるリチウムイオン電池は、充電に時間がかかります。しかし、高温に強い全固体電池は、発熱の危険性が低く、安全に急速充電ができると言われています。

電気自動車（EV）や家庭用蓄電池などに使われる大型の電池は、より高い安全性と急速充電が求められるため、各分野で実用化に向けて開発が進められています。

寿命が長い

固体の電解質は電解液に比べて劣化が少なく、寿命が長い点もメリットです。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、容量の低下や内部抵抗の上昇により性能が落ちていきます。性能の低下は、十分な電流を流せなくなることを意味します。

全固体電池ではリチウムイオンだけが固体電解質内を移動するため、副反応が起こりにくく、より丈夫で長寿命の電池の実現が可能です。

設計の自由度が高い

全固体電池は液漏れが起こらないため、強固な構造が不要です。液体の電解質は肌に触れると化学やけどを引き起こすことがあるため、液漏れしないように構造上の制約がありました。

全固体電池は液漏れの心配がないため、構造の制限がありません。自由度が高く、小型化・薄型化でき、重ねたり折り曲げたりして使うことも可能です。工夫次第で機能の向上や、さまざまな用途への利用拡大が期待できます。

全固体電池のデメリット・課題

実用化に向けて開発が進められていますが、開発上のネックとなるデメリット・課題があります。

固体電解質の課題

固体同士を密着させることについての課題です。電池が高い性能を発揮するためには、電極と電解質を常に密着させなければなりません。しかし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、材料の探索が課題となっています。一方、液体の電解質は常に変形するため、電極が少し変化しても密着し続けることが可能です。

電極物質の課題

電極物質の課題は、エネルギー密度向上のために必要です。エネルギー密度が高いと、小さな電池に大きな電力を蓄えられます。全固体電池がリチウム電池よりもエネルギー密度を大幅に向上させるためには、同じ重さ、大きさで大きな電力を蓄えなければなりません。効率のよい電極の開発が必要です。

製造工程の課題

実用化するにあたり、リチウムイオン電池とは異なる製造設備が必要になります。たとえば固体電解質の材料に硫化物系を使う場合は、大気中の水分に触れただけで反応してしまうため、ドライルームの設備を用意しなければなりません。製造工程で発生する新たな課題をクリアしながら、コストパフォーマンスに優れた量産技術の確立が求められます。

全固体電池の用途

全固体電池の用途として電気自動車をはじめ、さまざまな分野での活用が期待されています。

電気自動車

代表的な用途には、電気自動車があげられます。現在の電気自動車にはリチウムイオンの電池が使われていますが、一般車のガソリンの給油に比べて充電に時間がかかることが難点です。全固体電池であれば、急速充電が可能になるうえ、発火リスクの減少をもたらすため、実用化が期待されています。

参考記事：電気自動車の導入が進む背景とは？メリット・デメリットについても解説

さまざまな分野

熱に強く、電子基板にはんだ付けできるため、パソコンやスマートフォンといった電子機器の電源などに活用が想定されています。全固体電池を使えば、より長時間のパワフルな作動が可能です。大容量・高出力というメリットにおいては、飛行機や船などへの搭載が検討されています。温度範囲が広いことから、過酷な環境や宇宙空間での活用の広がりが期待できます。

全固体電池の安全性

全固体電池は優れた安全性があります。リチウムイオン電池には液漏れ、発火、破裂などのリスクがあるのに対し、全固体電池は電解質が固体でリスクが小さいため、リチウムイオン電池に比べてより安全に使えます。しかし全固体電池は開発上の課題があり、現在は大学や企業における研究段階ですが、今後の普及が期待されています。

まとめ

全固体電池とは、電解質を固体のものに置き換えた電池のことです。従来の液体の電解質を使った電池に比べて安全性が高く、急速充電ができ、寿命が長いことがメリットです。電気自動車をはじめ、パソコンや飛行機、船など幅広い分野への普及が期待されています。

参考記事：EV(電気自動車)とは？HVとの違いやメリット・デメリット、選び方なども解説

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