全固体電池は、近年の技術進化により注目を浴びているエネルギー貯蔵技術の1つです。従来のリチウムイオン電池とは異なり、液体の電解質を使用しないため、多くのメリットが期待されています。しかし、新技術であるため、まだ知られていない側面も多いでしょう。この記事では、全固体電池の基本的な仕組みから、そのメリット、デメリットまでを総合的に解説していきます。
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全固体電池の仕組みや種類とは？
全固体電池とは、固体電解質を用いた電池のことです。液体の電解質よりも耐久性や安全性に優れており、その特性から高いパフォーマンスを誇ります。そのうえ、さまざまな形状やサイズに対応可能です。いまだ開発途上ですが、電気自動車や医療機器、工場の自動化システムなどでの使用が期待されており、多くのメーカーが研究・開発を進めています。
全固体電池のメカニズム
全固体電池もリチウムイオン電池に似た仕組みであり、イオンが電解質を介して電極間を移動し、これにより電流が流れます。両者のおもな違いは電解質の状態です。リチウムイオン電池が液体なのに対し、全固体電池は固体であることを特徴としています。今までは液体の電解質が主流でしたが、最新の技術により固体電解質でも高いパフォーマンスの実現が可能です。
全固体電池のバリエーション
製法により、全固体電池はおもに「バルク型全固体電池」と「薄膜型全固体電池」の2つのタイプに分けられます。
バルク型全固体電池
バルク型全固体電池は、各部分に粉状の材料を使用しており、大容量の電池製造に適しています。特に電気自動車のバッテリーなど、大型用途向けです。ただし、電池抵抗を減少させることが、今後の開発での課題とされています。
薄膜型全固体電池
薄膜型全固体電池は、各層が細い構造のため、小型デバイス用途に最適です。リサイクル寿命の長さが期待でき、現在はセンサーやIoT向けのデバイスに使用されています。容量増加を課題として技術開発が進められています。
全固体電池のメリットとは
これまでの電池技術と比較して、全固体電池には、おもにこれから紹介する4つのメリットがあります。
温度変化への耐性
全固体電池には、高温や低温への耐性があります。一般的なリチウムイオン電池の電解質は液状のため、低温時に性能が低下しがちです。しかし、全固体電池の電解質は固体であることから、そのような問題が少ないのがメリットといえるでしょう。同様に、高温時の不安定さも軽減されています。
急速充電への対応
全固体電池は、大電力の充電にも耐える性質を持っており、高速での充電が可能です。なぜなら、リチウムイオン電池と比べると、充電時の発熱リスクが少ないからです。そのため、安全かつ迅速に充電ができるメリットがあります。
長寿命
全固体電池は劣化が遅いため、使用寿命が延びるという特長があります。従来の電池では電解質などに副反応が起こり易く、それが性能低下の原因となっていました。しかし、全固体電池は構造上、副反応が起こりにくく、長寿命を実現できるメリットがあります。
設計上の柔軟性
液漏れなど、液体電解質のリスクを伴わない全固体電池は、さまざまな形状や構造の電池を設計できるのがメリットです。従来の電池のような制約がないため、小さく、薄く、または多層にして使用できるメリットがあります。研究が進めば、新しい応用例が増えることを期待できるでしょう。
全固体電池の課題や問題点とは
実用化に向けて多くの期待が寄せられる全固体電池ですが、ここで紹介するように、まだいくつかの課題や問題点が存在しています。
固体電解質における問題点
固体電解質には、電極との接触における問題点があります。電池の性能を最大限に引き出すには、電解質と電極がしっかりと接していることが必要です。しかし、固体同士を常に密着させるのは簡単ではありません。そのため、材料の選定や研究が続けられています。液体電解質は形状変化に柔軟なため、電極の動きにも対応して密着しやすいのです。
電極材料の問題点
全固体電池のエネルギー密度の向上は、電極材料の選択と研究にかかっています。高いエネルギー密度を実現すれば、軽くて小さい電池でも多くのエネルギーの保持が可能です。そのため、効率のよい適切な電極材料の探求が課題といえます。
生産過程での難しさ
全固体電池の製造には、従来のリチウムイオン電池とは異なる専用の設備が要求されます。たとえば、固体電解質に硫化物を使用する場合です。硫化物は外部の湿気に非常に敏感なため、湿度を厳密に管理する施設が必要となります。このように、生産過程においての効率とコストのバランスを見つけることが、今後の課題です。
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全固体電池の価格と今後の傾向
全固体電池は、今はまだリチウムイオン電池の4〜25倍の価格といわれています。確かに全固体電池には、電解質に液体ではなく不燃性の固体を使用することでのコスト低減が期待されていますが、それでもまだ高価であるとされているのです。これは、製造コストや研究開発コスト、そして材料コストが高く、まだ量産化が難しいとされていることに関係しています。
しかし、全固体電池の価格は、その製造技術や市場の競争状況によって変動していくでしょう。また、全固体電池の量産化が進むにつれて、価格の低下が期待されています。特に、トヨタ自動車と出光興産が全固体電池の量産化に向けてタッグを組むなど、多くの企業が全固体電池技術の開発と量産化を進めているのです。
家庭向け全固体電池の新たな展望
全固体電池は、充電のための劣化がほとんど見られない電池として注目されています。これにより、繰り返しの充電でも長く安定して使うことが可能です。従来のリチウムイオン電池のような再充電可能な電池としての特性を持ちつつ、液体の電解質に起因する燃えるリスクや漏れる懸念を排除できます。特にマクセルが開発した全固体電池は、マイナス50℃からプラス125℃の範囲での使用が可能という高い耐環境性が特徴です。その安定性から、電池の持ち時間を気にすることなく安心して使用することができます。
たとえば、内部に電池を持つペースメーカーのような医療機器では、通常は数年おきに電池の交換のための手術が要求されますが、全固体電池の採用でその手間が省かれると考えられるのです。さらに、電極や固体電解質の層を薄くして重ねることで、小型化や容量アップを実現するとともに、電極の素材を目的に合わせて選択しやすくなっています。従来の液体電解質では、電極との化学的な適合性に制約があったため、最適な電極と電解質の組み合わせが難しかったのです。この特長を生かすことで、現行のスマートフォンやノートパソコンの容量増加、出力向上、迅速な充電への適応も期待されています。
このように、スマートフォンやウェアラブルデバイスにおいても、全固体電池では長期間において購入時の充電能力を維持することが可能です。おもに電気自動車のエネルギー供給としての利用が想像されがちな全固体電池ですが、そのほかの、家庭用を含めたさまざまな利用についても大きな可能性を持っています。
信頼の安全設計：全固体電池の特長
全固体電池の大きなメリットは、発火リスクが非常に低いという点です。通常のリチウムイオンバッテリーは、可燃性のある有機電解質を使用しています。そのため、電池に大きな負荷がかかり温度が高くなると、火災の恐れが高まることがあるのです。しかし、全固体電池は、固体の電解質を採用しているためにこのような発火リスクが大幅に低減されます。
また、温度への耐性が優れている点も重要です。電解質に有機物を使用するリチウムイオンバッテリーは、低温時には充放電の性能が下がり、高温時には安全性が気になります。特に、冷え込む冬季には、スマートフォンのバッテリーがあっという間に減少した経験のある人も多いのではないでしょうか。一方、全固体電池は、温度変動に対して非常に強く、使用温度の範囲が広いのが特徴です。実際、全固体電池の中には400度以上の高温で製造されるものもあり、その耐熱性による高温への安全性は非常に評価されています。
全固体電池のエコロジー性：環境保全への貢献
全固体電池には、環境保全へ貢献するエコロジー性の高いメリットがいくつかあげられます。まずは、安全な材料を使用していることです。全固体電池は、電解質として安全な固体素材を採用しています。一方、リチウムイオン電池には、時に有害な液体電解質が含まれることがあるのです。全固体電池は、製造や処分の過程での環境への負荷が少ないといえます。
再利用しやすいのも、環境に対するメリットといえるでしょう。全固体電池の成分は、再利用がしやすいと考えられています。これが、全固体電池が資源の有効活用や廃棄時の環境への影響を緩和する要因です。また、安定性が高いのも、環境へのメリットといえます。全固体電池は液体電解質を使用しないため、リチウムイオン電池と比較して液漏れや発火のリスクが少ないのです。その結果、事故による環境への被害の危険性が減少します。
エネルギー効率が高いことも、環境に対するメリットの1つです。全固体電池は高エネルギー密度を誇り、同じサイズのリチウムイオン電池よりも多くのエネルギーを蓄えることができます。これにより、電気自動車やその他の電動機器のエネルギー利用が効率的になり、エネルギー消耗を抑えることが可能です。最後のメリットとして、耐久性があげられます。通常、全固体電池はリチウムイオン電池よりも持ちがよいため、電池の取り替えや処分の頻度が低下し、資源の使用や廃棄物の量の削減に役立つのです。
これらの特性から、全固体電池がリチウムイオン電池より環境にやさしいとされています。ただし、全固体電池の技術はまだ開発途上であるため、実際の環境への影響は、製造プロセスや利用方法、および再利用の方法によって変わる可能性があるでしょう。
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国内および世界の蓄電池市場のトレンドと今後の展望
蓄電池は、車に使われるものから家庭や業務用のものまで、さまざまな分野での利用が広がっています。特に車用の蓄電池は、電気自動車の人気の高まりと共に、急速に市場が伸びているのです。ここでは、日本と世界の蓄電池市場の動向を紹介していきます。
国内市場の動向
日本国内では、家庭や事業所で使われる定置用蓄電池の需要が増加しています。東日本大震災の後、緊急時の電源や電力不足の対策として補助金が出され、その影響によりエネルギー市場が拡大しました。そして、太陽光発電の余剰電力の買い取り制度が終わることで、再び蓄電池への関心が高まっているのです。たとえば、再生可能エネルギー業界では、出力が不安定になりがちな再生エネルギーと組み合わせるため、また通信業界では、データセンターや5Gの通信設備のバックアップ用として使用するために蓄電池の需要も増しており、今後も伸びると考えられています。
車用のバッテリーも、電気自動車が人気になる中で、急速に市場が拡大中です。特にパナソニックは、トヨタや米国のテスラへの供給を行い、大きな影響力を持っています。日本の技術は、最初の段階では市場に強い影響力をもっていました。しかし、最近では中国や韓国に追い越されています。これを受けて、経済産業省は、蓄電池関連の新しい計画を発表しました。これにより、2030年までに現在の5倍以上の製造能力の拡大や、世界市場での大きなシェアを目指す動きがあります。
世界市場の動向
世界でも、定置用蓄電池の需要が増加中です。特に、再生可能エネルギーへの需要が高まっており、今後も市場が伸びると予測されています。電気自動車の市場の急速な拡大も要注目です。市場の拡大にともない、出荷量も増加しています。しかし、日本の世界市場でのシェアは、最初こそ高かったものの、徐々に低下しているのが傾向です。市場を維持・拡大するためには、価格競争力や生産力の向上が必要となるでしょう。さらに、持続可能な電池エコシステムの実現には、使い終わった電池のリサイクルが大切です。日本でもこの点での取り組みを強化しており、リユースやリサイクルの技術開発への支援を行っています。
蓄電池の利用拡大は、持続可能なエネルギー社会の実現に向けての重要なステップです。そのため、蓄電池技術の研究や製品の品質向上に取り組むことは、今後のエネルギー問題の解決にも大きく寄与するでしょう。
家庭用蓄電池としての全固体電池選択のポイント
ここでは、全固体電池を家庭用蓄電池として選ぶ際に考慮すべき、いくつかのポイントを紹介していきます。
エネルギー容量
家庭で必要とされる平均的なエネルギー使用量を計算し、必要なエネルギー容量を持つ蓄電池を選択しましょう。エネルギー容量は通常、kWh（キロワット時）で表示されます。
出力能力
蓄電池の最大出力（通常kWで表示）が、家庭のピーク電力需要を満たすことを確認しましょう。たとえば、エアコンや電子レンジなどの高消費電力機器を同時に使用する際の電力需要を満たすことを確認します。
寿命と保証
蓄電池の寿命は、通常、充電・放電のサイクル数で示されます。その数をチェックして、どのくらい長期間の使用が可能かを考慮して電池を選択しましょう。また、保証期間を確認しておくことも大切です。
価格
予算内で最も希望に近い蓄電池を見つけることが理想ですが、初期投資だけではなく、運用コストも考慮することが重要です。運用コストとは、保守・メンテナンス費用やソフトウェアに対するアップデート費用、それに破棄またはリサイクルするときに必要な費用などを指します。
設置と保守
蓄電池を設置する場合に、場所の制限がないか、必要な工具や専門家は必要か、また、定期的なメンテナンスを必要とするかなどを確認します。
安全性
全固体電池は、液体電解質のリスクがないため安全とされています。しかし、製品認証や安全基準を満たしているかの確認は必要です。製品認証としては、アメリカを中心とした多くの国で使われている「UL認証」やヨーロッパ経済圏で使われている「CEマーキング」、それに、国際的な基準としての「IEC規格」などがあります。
メーカーの評判
メーカーの過去の製品履歴や顧客へのフィードバック、またはアフターサービスの質などを調査し、信頼性を確認するのもポイントです。
環境への影響
全固体電池の製造プロセスや材料の環境への影響、廃棄時の処理方法など、エコフレンドリーな選択をするための情報を収集するのも、選択の際のポイントといえます。
地域のインセンティブと補助金
地域ごとの補助金や税制優遇、電力会社のインセンティブなど、蓄電池導入の経済的な支援を調査し、適用可能なものを利用するのも、選択の際の大きなポイントです。
以上に紹介した要因を考慮することで、全固体電池を家庭用蓄電池として選択する際の判断がより明確になるでしょう。
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おもな全固体電池メーカーと製品の特徴
ここでは、おもな全固体電池メーカー7社とそれぞれの製品の特徴を紹介していきます。
1.TDK株式会社
TDK株式会社は、全固体電池技術の開発に注力しており、その中でもセラミック固体電解質を利用した技術の研究が進められています。さまざまなデバイスや機器に利用されることを目指しているのが特徴です。特に、モバイルデバイスやウェアラブルデバイス、さらには電気自動車や再生可能エネルギー関連の用途などでの使用が期待されています。TDK株式会社が提供する全固体電池の製品は、液漏れや火災のリスクが低いとされており、製品の安全性の高さが特徴です。
2.マクセル株式会社
マクセル株式会社の特徴は、独自の導電性カーボン技術を用いた全固体電池の開発への取り組みです。この技術は、電池の寿命を大幅に延ばす可能性があるとされています。また、高エネルギー密度を持つ電池の開発に力を入れているのも特徴です。そして、この考えが反映された、小型ながらも長寿命・高出力を実現する製品の提供を目指しています。さらに、マクセル株式会社の全固体電池は、携帯デバイスから大型のエネルギー貯蔵システム、さらには電気自動車まで、さまざまな用途に適応するよう開発が進められているのも特徴です。
3.トヨタ自動車
トヨタ自動車は、全固体電池の技術開発を進めることで、次世代の電気自動車市場においてもリーダーシップを維持し、持続可能な社会の実現に貢献する方針を掲げています。トヨタ自動車が開発している製品の特色は、電気自動車により長い航続距離を持たせることと、急速充電への対応です。これにより、トヨタ自動車は電気自動車の普及促進に寄与する可能性があります。
4.村田製作所
村田製作所は、その独自の技術力と革新的な研究開発を背景に、全固体電池分野での競争力を高めているメーカーです。セラミック技術を中心とした独自の技術力を持っており、これを生かして全固体電池の開発が進められています。また、非常に小型の電池製品を製造することが可能であり、ポータブル電子機器やウェアラブルデバイスに適した製品を提供しているのが特徴です。村田製作所の全固体電池は、スマートフォンやタブレット、ウェアラブルデバイス、さらには電気自動車やエネルギー貯蔵システムなど、幅広い応用分野での使用が考えられています。
5.日本電気硝子株式会社
日本電気硝子株式会社は、長年にわたるガラス技術の経験とノウハウを生かして、全固体電池の開発におけるガラス系固体電解質の研究を進めているメーカーです。ガラス系の固体電解質を使用することで電池の安全性を向上させ、特に、リークや発火のリスクを低減させることが期待されています。技術力を生かした高いイオン伝導性と長寿命を持つ製品の開発を目指しているのが特徴です。また、リサイクルが容易な材料を使用することで、サステナビリティの向上を図っています。
6.日立造船株式会社
日立造船株式会社は、エネルギーおよび環境技術の分野で広範な活動を展開しており、その知見を生かした全固体電池の研究開発を進めています。その特徴は、多岐にわたる技術のノウハウを生かした独自の技術や材料の研究です。日立造船株式会社による製品は、エネルギー関連の事業を多く手掛ける企業として、全固体電池の技術をさまざまな産業や用途に適用する可能性を探求したものになっています。
7.日本ガイシ株式会社
日本ガイシ株式会社は、長年にわたる陶磁器製品の製造技術を持っており、このノウハウを活用して全固体電池の電解質や電極の材料開発に取り組んでいます。NAS電池（高温型ナトリウム硫黄電池）の開発や商業化に成功しており、その経験を生かした全固体電池の研究開発を進めているのも特徴です。日本ガイシ株式会社の製品は、電気自動車からステーショナリータイプのエネルギー貯蔵システムまで、幅広い応用分野での利用を目指しています。持続可能な社会の実現を目指し、CO2排出量の削減や再生可能エネルギーの利用拡大に貢献する技術として全固体電池の研究開発を進めていることも、特徴の1つといえるでしょう。
蓄電池テクノロジーの新たな展望と将来の見込み
全固体電池が大量生産されるようになれば、さらなる電気自動車の普及が進む中、市場の主導権を握ることが可能です。このため、数多くのメーカーが全固体電池技術の完成を目指し、研究活動を続けています。日本のカーメーカーが予定しているのが、2020年代中に全固体電池を使用した車をリリースすることです。しかし、商品化や大量生産への道のりは険しく、電気自動車専用の電池に適した電解質素材の研究が必要だと指摘されています。コストに関しても、現在主流のリチウムイオン電池よりも経済的な生産技術が要求されるでしょう。
しかしながら、全固体電池の研究は進行中です。2021年5月に国内のベンチャー企業が公表した情報によれば、ほとんどの部分を樹脂で製造する新しい全固体電池の技術を開発し、大量生産に向けた取り組みが開始されました。この電池は、部品の数を減らし、生産過程を既存のリチウムイオン電池よりも短くすることが可能です。これにより、製造コストの削減や、注文から納品までの期間短縮が期待できるでしょう。
全固体電池は、初期の生産段階では、発電施設の蓄電システムとしての利用が中心となることが予想されます。とはいえ、長期的には家庭用や公共交通機関の蓄電池として適用範囲も広がる予定です。コスト削減と大量生産が実現すれば、全固体電池が各家庭に普及する日もそう遠くないでしょう。
日本の技術力は高く、電池技術の特許申請数も国際的にトップレベルを維持しています。電池技術の分野では、ブレイクスルーも近いと予想され、その時には、日本の企業が世界をリードする可能性が高いのです。また、政府もこの技術開発をサポートしているため、全固体電池に関する動向には引き続き注目が必要でしょう。
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