【全固体電池のメリット・デメリットは？】仕組みや課題をわかりやすく解説！
電動車両や再生可能エネルギーの普及が進む中、より安全で高性能な蓄電技術が求められています。
その中心に位置するのが「全固体電池」です。
従来のリチウムイオン電池と比較しても、エネルギー密度が高く、耐熱性や安全性に優れている全固体電池は、電動車やスマートデバイスの分野で革新を期待されています。
今回は、全個体電池の実用化を目指す上での課題についても解説していきます。
全個体電池とは？
全固体電池は、電流を発生させるための電解質を従来の液体から固体に置き換えた新しいタイプの電池です。
固体の電解質は安全性が高く、自由な形状・構造が可能で、薄型・小型・大容量化が期待されています。
特に電気自動車（EV）などの分野での導入が期待され、自動車や電子機器メーカーが研究開発を進めています。
現時点では量産技術が完全に確立されていない理由から実用化にはまだ遠い道のりとなっている。
しかし、全個体電池への期待値は高く、市場規模見込みもかなり大きく予測されている。
全固体電池の仕組み
全固体電池の基本的な仕組みは、リチウムイオン電池と同様に、放電時にはイオンが正極へ、充電時には負極へ移動することで電流が流れるというものです。
液体電解質の場合は、電荷を運ぶイオンが液体中を移動することで電気エネルギーが供給されます。
全固体電池は液体ではなく固体の電解質を使用しており、液漏れのリスクがなく、セパレーターを必要としません。
近年、新しい個体電解質素材が発見されたことにより、液体電解質が高い性能を発揮可能という従来の観念が変わりつつあります。
また、全個体電池とは別に「半固体電池」という次世代電池も存在します。
固体電解質と液体電解質を組み合わせたゲル状の材料を使うことで、リチウムイオン電池より安全性が高い電池として利用可能です。
全固体電池の種類
全固体電池は、形状や電解質の種類によっていくつかに分類されます。
形状による分類は、以下の２種類に分類され、サイズと蓄積可能なエネルギー量に大きな違いがあります。
１．バルク型全固体電池
頑丈なケースを持つ箱型のタイプです。
電解質には粉末や粒子を集めた粉体を使用します。
大容量かつ高出力が必要な用途に適していますが、サイズが大きくなる傾向があります。
危険な硫化物系を用いる電池でも使用できる利点もあります。
２．薄膜型全固体電池
薄い形状で、耐久性が高くリサイクル寿命も長いです。
バルク型全個体電池と比べ、蓄積可能なエネルギー量が少なく、小型機器向けです。
基盤に張り付けられる薄い形状なので、センサーなど小さな機器に活用されやすいです。
電解質の種類による分類は、以下の３種類です。
１．酸化物系（セラミック系）
高い耐久性と長寿命を持ち、薄膜型全固体電池に採用されることが多いです。
しかし、小容量のため用途に制約があります。
酸化物系（セラミック系）は安全性が高いことから、全個体電池の実用化に向けて最も期待されていますが、EVなどの大容量で高出力が求められる製品に適していないことが難点です。
２．硫化物系
大容量かつ高出力で、製造方法が多岐にわたり、素材の選択肢が広いです。
硫黄を含む化合物を電解質として使用する全固体電池のため、発火の危険性や有毒ガスのリスクがあります。
リチウムイオン電池より安全性は高いですが、他の種類の全個体電池に比べると安全性に劣ります。
３．ポリマー系
充放電や温度変化に強いです。
全個体電池は充放電や温度変化によって性能が落ちるという課題を持っていますが、ポリマーの優れた弾力性により改善できるという点から、後発ではありますが、開発が進んでいます。
しかし、容量が少なく安全性に劣るため、他タイプの全個体電池との使い分けが必要です。
全固体電池の特徴とメリット
全固体電池は、次世代のエネルギー源として注目されています。
メリットは以下の通りです。
１．長寿命で劣化しにくい
リチウムイオン電池の場合、液体電解質による副反応が劣化の原因として多いです。
液体電解質内でリチウムイオン以外の物質の移動が起こり、電流の流れを妨げ、劣化していきます。
全固体電池は固体電解質のため副反応が少なく、長寿命です。
２．温度変化に強い
全固体電池は広い作動温度範囲を持ち、高温、低温状態でも性能を安定して維持できます。
これは、急速充電や過酷な環境での使用において大きなメリットです。
一方、リチウムイオン電池は60度以上の高温で劣化し、低温の場合は液体の粘度が高まって電圧が低下するデメリットがあり、温度の制限を大きく受ける傾向があります。
温度変化に強い全個体電池は、安全に急速充電する用途に大きく期待されています。
３．安全性が高い
リチウムイオン電池は液漏れや発火のリスクがある有機溶剤系の液体電解質を使用していますが、全固体電池は固体電解質を使用するため、これらのリスクがありません。
固体の電解質を使うことで、液漏れや破裂による事故の恐れを軽減し、高い安全性が期待されています。
４．設計の自由度が高い
全固体電池は多様な形状や構造が可能で、リチウムイオン電池よりも設計自由度が高いです。
これにより、小型化や薄型化、さらには多様な用途に対応することができます。
また、安全性の高い材料を使用することで、電極材料の選択肢が広がることもメリットです。
全固体電池のデメリットと課題
これから実用化を目指す上で克服すべき課題もあります。
１．固体電解質の開発
固体電解質は電極間でのリチウムイオンの移動抵抗が高く、出力を上げにくいという課題があります。
新たな物質の発見により開発は進展していますが、まだ課題が残っています。
今後も固体電解質の材料を探すことで実用化への障害を取り除いていく必要があります。
２．製造設備の課題
全固体電池の製造プロセスは従来のリチウムイオン電池とは異なり、新たな製造設備が必要です。
初期投資費用が高く、コスト削減と量産技術の確立が求められます。
コスト面で競争力を高めていくために、新しい製造プロセスの導入や最適な技術導入が必要とされています。
全固体電池の用途
全個体電池の活躍が期待される分野をご紹介します。
電気自動車（EV）
全固体電池はEVの分野で特に注目されています。
現在はリチウムイオン電池が使用されているEVの全個体電池化が進めば、充電速度が向上し、発火リスクが低減されるため、環境規制が厳しくなる中でのEVの普及に貢献すると期待されています。
パソコンやスマートフォン
全個体電池は薄型化や小型化が可能なため、電子機器への組み込みが容易です。
さらに持続時間と性能の向上が期待されます。
大容量で高出力の全個体電池を使うことで、満足度の高い電子機器製品が期待できます。
その他の分野
全固体電池は「V to H（Vehicle to Home）」や「V to G（Vehicle to Grid）」などのEVを都市の電源として活用する技術や、空中自動車等、次世代分野での応用が期待されています。
全個体電池の不燃性の特徴により、ドローンへの応用も考えられています。
過酷な環境下でも安全性を保つことができるので、宇宙空間での利用など、さまざまな分野での応用が期待されています。
全固体電池まとめ
全固体電池はその特性から多くの応用が期待されており、自動車や電子メーカーのみならず、材料や半導体、セラミック関連の企業も注目しています。
将来的には全固体電池が世界中の産業を牽引する技術となる可能性が高いです。
この技術の発展を見逃さず、製造や供給の競争に乗り遅れないようにすることが重要です。
