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と期待されること

全固体電池は、次世代のエネルギー貯蔵技術として多くのメリットを持ち、様々な分野での応用が期待されています。全固体電池の主なメリットと、それに関連する期待される効果について詳細に解説します。

全固体電池のメリット

1. 高い安全性

全固体電池は、液体電解質を使用しないため、漏れや発火のリスクが大幅に低減されます。これにより、電池の安全性が飛躍的に向上し、特に高エネルギー密度を必要とする応用分野において重要なメリットとなります。

2. 高エネルギー密度

固体電解質を使用することで、全固体電池は従来のリチウムイオン電池に比べて高いエネルギー密度を実現できます。これにより、電気自動車やポータブル電子機器などで、より長い駆動時間が可能になります。

3. 長寿命

全固体電池は、固体電解質が化学的に安定しているため、長寿命であることが期待されています。特に、充放電サイクルによる劣化が少なく、長期間の使用が可能です。

4. 高温安定性

全固体電池は高温環境でも安定して動作します。これは、電解質が固体であるため、液体電解質に比べて温度による劣化や性能低下が少ないためです。この特性は、特に電気自動車や産業用途での使用において重要です。

5. 環境に優しい

全固体電池は、液体電解質を使用しないため、環境への影響が少なく、リサイクルが容易です。これにより、持続可能なエネルギーソリューションとして期待されています。

全固体電池に期待されること

1. 電気自動車（EV）への応用

高エネルギー密度と高安全性により、全固体電池は電気自動車のバッテリーとして非常に期待されています。これにより、電気自動車の航続距離が延び、充電インフラの負担が軽減されます。また、全固体電池の高温安定性により、過酷な条件下でも安定した性能を発揮することができます。

2. エネルギー貯蔵システム

再生可能エネルギーの普及に伴い、大規模なエネルギー貯蔵システムが求められています。全固体電池は長寿命で高い安全性を持つため、電力グリッドの安定化やピークシフトのためのエネルギー貯蔵システムとして期待されています。

3. ポータブル電子機器

スマートフォン、ノートパソコン、ウェアラブルデバイスなどのポータブル電子機器において、全固体電池は小型で高エネルギー密度を持つため、バッテリー寿命の延長とデバイスの軽量化に貢献します。

4. 医療機器

全固体電池の高い安全性と長寿命は、医療機器のバッテリーとしても期待されています。特に、ペースメーカーやインプラントなどの体内に埋め込むデバイスにおいて、定期的なバッテリー交換が不要となるため、患者の負担が軽減されます。

全固体電池にはさまざまなメリットや期待があり、その高い安全性、高エネルギー密度、長寿命、高温安定性、環境への優しさなど、多くのメリットを持つ次世代のエネルギー貯蔵技術です。これらの特性は、電気自動車、エネルギー貯蔵システム、ポータブル電子機器、医療機器など、さまざまな分野での応用が期待されています。

全固体電池の実用化に向けた研究開発は、エネルギー問題の解決や持続可能な社会の実現に向けた重要なステップとなります。今後の技術進歩により、全固体電池が私たちの生活にどのような変革をもたらすかが非常に楽しみです。

全固体電池のデメリットと課題

全固体電池は、次世代のエネルギー貯蔵技術として注目されていますが、実用化に向けていくつかのデメリットと課題が存在します。本記事では、全固体電池のデメリットとそれに関連する課題を大学生にも理解できるように、詳細に解説します。

全固体電池のデメリット

1. 高い製造コスト

全固体電池の製造には高価な材料と高度な製造技術が必要です。特に、高純度の固体電解質や特定の電極材料のコストが大きな課題となっています。現状では、大量生産が難しく、コストが高いため、商業的な実用化が進んでいません。

2. 界面抵抗の問題

全固体電池において、固体電解質と電極の界面で発生する抵抗（界面抵抗）が大きな問題です。界面抵抗が高いと、電池の内部抵抗が増加し、効率が低下します。このため、電極と電解質の界面設計が重要な技術課題となります。

3. 材料の安定性

全固体電池には様々な固体電解質材料が使用されますが、これらの材料はそれぞれに課題があります。例えば、硫化物系電解質は高いイオン導電性を持つ一方で、水分と反応して有毒なガスを発生するリスクがあります。酸化物系電解質は安定性が高いものの、イオン導電性が低いため、電池性能の向上が難しいです。

4. 機械的強度と耐久性

全固体電池は、固体電解質を使用するため、機械的強度が重要です。充放電サイクルに伴う電極の膨張・収縮に対する耐久性が求められます。固体電解質が割れたり、劣化したりしないようにするための技術が必要です。

全固体電池の課題

1. 製造プロセスのスケーラビリティ

全固体電池の製造プロセスは非常に複雑で、研究室レベルでの製造は可能ですが、大規模生産には多くの技術的課題があります。製造プロセスの均一性と再現性を確保することが重要です。これには、製造技術の高度化と自動化が求められます。

2. 電解質と電極の界面設計

固体電解質と電極の界面設計は、全固体電池の性能に大きく影響します。界面での化学的反応や物理的接触の不均一性が、電池の性能を低下させる原因となります。界面の化学的および物理的安定性を向上させるための研究が進められています。

3. イオン導電性の向上

固体電解質のイオン導電性を向上させることは、全固体電池の性能向上に不可欠です。現在の固体電解質材料は、液体電解質と比較してイオン導電性が低いため、電池の内部抵抗が増加し、効率が低下します。新しい高イオン導電性材料の開発が必要です。

4. 長期的な安定性

全固体電池は長期間使用されることを前提としていますが、長期にわたる使用での安定性を確保することは課題です。繰り返しの充放電による電解質や電極の劣化、界面の劣化を防ぐための技術開発が求められます。

このように、全固体電池は従来のリチウムイオン電池に比べて多くの利点を持ちながらも、実用化に向けて克服すべき多くの課題があります。これらの課題は、材料科学、製造技術、電池設計など、様々な分野にまたがる複雑な問題です。研究室レベルでは、これらの課題に対する新しい解決策を模索し、技術のブレークスルーを目指して研究が進められています。実用化に向けては、これらの課題を克服するための技術開発と産業界との連携が不可欠です。

全固体電池の実用化に向けた研究は、エネルギー問題の解決や持続可能な社会の実現に向けた重要なステップとなるでしょう。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と課題があります。

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

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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