全固体電池のメリット・デメリットとは？仕組みや実用化への課題をわかりやすく解説

長らく電池は人々の暮らしを支える存在であり、現代の生活に欠かせないものとなっている。電池には、乾電池からアルカリ蓄電池、リチウムイオン電池など、さまざまな種類があり、時代とともにその需要も変化している。一方で、現在使用されている電池にも問題点や解決しなければならない課題がある。こうした従来の電池のデメリットに対応する次世代の電池として注目を集めているのが「全固体電池」だ。この記事では全固体電池の仕組みや種類、特徴、期待される用途などについて解説する。

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　全固体電池とは？

全固体電池とは、従来の電池とは異なり、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を指す。固体の電解質は従来の液体電解質より安全性が高く、構造や形状を自由に変えられるため、薄型や小型にしたり、大容量化したりすることが可能だ。また、全固体電池はこれまでの電池と比較して長寿命であるという特徴もある。こうした利点から、電気自動車（EV）への導入が期待されており、自動車や電子メーカーなどが研究開発を進めている。

2024年現在、量産技術が完全に確立されていないため、ほぼ実用化に至っていないといえる。しかし富士経済によると、全固体電池の市場規模は2022年の60億円（見込み）から2040年には3兆8605億円に達すると予測されており、非常に期待の大きい分野であることは間違いない。

　全固体電池と半固体電池の違い

全固体電池は用いられる電解質が固体であるのに対し、半固体電池は固体電解質と液体電解質の特性を組み合わせたゲル状の材料を用いた電池のことを指す。全固体電池には及ばないもののリチウムイオン電池と比べると安全性が高く、全固体電池と同じく注目される次世代電池の1つといえる。

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　全固体電池の仕組み

全固体電池も、リチウムイオン電池などと同様に、放電時に内部のイオンが正極へ移動し、充電時には負極へ移動することで電流が流れる仕組みを持つ。通常のリチウムイオン電池は液体電解質を使用しており、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る。一方、全固体電池は液体ではなく固体電解質を使用する点が異なる。近年、新しい固体電解質素材が発見されるなどして、これまで液体の電解質だけが高い性能を発揮できると考えられていた観念が変わりつつある。固体の状態を保ちながらイオンを導電するため、液漏れのリスクや負極と正極を隔てるためのセパレーターを必要としない。

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　全固体電池の種類

全固体電池は、形状や使用される電解質の素材によっていくつかの種類に分かれている。以下で、その種類について紹介する。

　全固体電池〜形状による分類〜

形状による分類では、主に「バルク型」と「薄膜型」の2種類に分けられる。これらの種類には、サイズと蓄積可能なエネルギー量に大きな違いがある。それぞれの特徴を以下で説明する。

　バルク型全固体電池

バルク型全固体電池は、箱型の形状のタイプを指す。頑丈なケースを利用するため、危険な硫化物系を用いる電池でも使用できる利点がある。主に、EVのバッテリーなどの大容量かつ高出力が必要な場面での使用が想定されている。ただし、サイズが大きくなってしまう傾向があるため、形状の柔軟性はやや制限される。バルク型全固体電池は、正極や負極、電解質には粉末や粒子を集めた粉体を使用する。

　薄膜型全固体電池

薄膜型全固体電池は、基盤に貼り付けられるほど薄い形状をしており、耐久性が高くリサイクル寿命が長いという特徴を持つ。ただし、バルク型と比較して蓄積可能なエネルギー量が少なく、エネルギーと出力が制限される点がデメリットとされる。容量面で課題は残るが、小型であるためセンサーなどの小さな機器での活用が向いている。

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　全固体電池〜材料（電解質）による分類〜

全固体電池に使用される材料（電解質）は、主に「酸化物系（セラミック系）」と「硫化物系」に分けられ、近年では「ポリマー系」の開発も進んでいる。

　酸化物系（セラミック系）

実用化に向けて進展している全固体電池で主に使用される電解質は、安定性が高い酸化物系（セラミック系）だ。このタイプは高い耐久性と長寿命、加えて小型化が可能な特性を有しており、薄膜型の全固体電池で採用されることが多い。ただし酸化物系（セラミック系）の全固体電池は、イオン伝導率が低く小容量のため用途に制約があり、現時点ではEVなどの大容量で高出力が求められる製品には適していないとされている。

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　硫化物系

硫化物系は、硫黄を含む化合物を電解質として使用する全固体電池で、大容量かつ高出力であることが特徴だ。さらに、製造方法が多岐に渡り、幅広い素材の選択肢があることも利点である。しかし、硫黄を主原料とするため、発火の危険性や有毒ガスである硫化水素の発生のリスクがある点に留意する必要がある。そのため、リチウムイオン電池よりは安全性が高い一方で、ほかの全固体電池と比べて安全性は劣るとされている。

　ポリマー系

酸化物系（セラミック系）や硫化物系と比較すると発展途上ではあるが、ポリマー系の全固体電池の開発が進んでいる。全固体電池が抱えていた充放電や温度変化によって性能が落ちるという課題を、弾力性に優れたポリマーを採用することでカバーすることができる。しかし、容量が少なく安全性に劣る欠点もあるため、酸化物系（セラミック系）や硫化物系との使い分けが必要になりそうだ。

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　全固体電池の特徴やメリットとは？電解質が液体のリチウムイオン電池と異なる点

全固体電池は、従来の電解質が液体のリチウムイオン電池とどのように異なるのだろうか。両者を比較しながら全固体電池の特徴やメリットについて解説する。

　劣化しにくく長寿命

リチウムイオン電池は、液体の電解質内をリチウムイオン以外の物質の移動が起こり、本来意図している反応以外の副反応が生じる。電流の流れを妨げることによって電池の劣化を引き起こす。一方、全固体電池は固体の電解質であるため副反応が起こりにくく、液体のリチウムイオン電池に比べて劣化しにくい特性がある。

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　温度変化に強い

固体の電解質は作動温度範囲が広いため、高温や低温状態でも安定した性能を維持できる。これに対して、リチウムイオン電池は60度以上の高温では劣化し、低温では液体の粘度が高まって電圧が低下する。そのため高温や低温での運用を制限せざるを得ない。一方、全固体電池は温度変化に強いため、安全に急速充電ができるなど用途の幅を広げられると期待されている。

　安全性が高い

全固体電池はリチウムイオン電池に比べて危険性が低いとされている。リチウムイオン電池の液体電解質には有機溶剤系の危険な物質を使用しており、液漏れや発火、破裂など致命的な事故につながる恐れがある。しかし固体の電解質であれば、液漏れや発火の心配がなく、高い安全性を確保できる。

　設計の自由度が高い

リチウムイオン電池は、構造を強化して液漏れを防ぐ必要性や耐久性の問題があるが、全固体電池は電解質が固体であるため、多様な構造や形状を実現可能だ。全固体電池では、安定性の高い材料を使用するため電極材料の選択肢が広がる。そのため、リチウムイオン電池よりもケースの形状やバッテリー内部での電池構造を自由に設計できるのだ。この設計の自由度により、小型化や薄型化だけでなく、重ねたり折り曲げたりすることも可能であり、多様な用途において活用されることが期待されている。

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　全固体電池の用途は？どのような分野での実用化が見込めるか

全固体電池の可能性に大きな期待が寄せられており、実用化に向けて積極的な開発が進められている。今後実用化が進むと、産業や生活にどのような影響をもたらすのか解説する。

　電気自動車（EV）

全固体電池で最も注目される用途の一つはEVである。現在のEVには、主にリチウムイオン電池が使用されているが、全固体電池が実用化されれば、充電速度が向上し、発火リスクが抑えられる。

現在、世界各国で環境規制が厳しさを増しており、ガソリンやディーゼルエンジンといった内燃機関自動車の販売が規制される動きが出始めている。この背景から、EVへのシフトが急務とされており、全固体電池の実用化はこの変革に大きな影響を与えるだろう。

　パソコンやスマートフォン

電子機器分野でも全固体電池の利点は大きな役割を果たす。電子部品はサイズの制約があるが、全固体電池であれば薄型化や小型化が可能なため、電子基板への組み込みが容易だ。大容量かつ高出力の全固体電池の採用により、パソコンやスマートフォンの持続時間と性能が向上し、ユーザーエクスペリエンスが向上するだろう。

　そのほかで活用が期待される分野

これに加えて、全固体電池の利用はほかにもさまざまな分野で期待されている。たとえば、全固体電池の長寿命の特性を活かしてEVを都市の電源として活用する「V to H （Vehicle to Home）」や「V to G （Vehicle to Grid）」への利用、不燃性の特性を活かしてドローンや空中を移動する自動車などへの応用も考えられている。また、過酷な環境での耐性を持つことから、宇宙空間での利用も可能性として検討されている。全固体電池は、エネルギー技術の進化と共に、多岐にわたる分野でのイノベーションとなる可能性を秘めている。

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　全固体電池のデメリットや課題

全固体電池は多くのメリットを有するが、その実用化にはいくつかのデメリットや課題がある。ここでは、固体電解質と製造設備の課題について解説する。

　固体電解質の開発

全固体電池において最も重要な課題の一つは、固体電解質の開発だ。固体電解質は、電極間でリチウムイオンが移動する際の移動抵抗が高くなる特性を持っており、そのために電池の出力を上げにくいというデメリットがある。長らく、この課題が実用化の障害となってきたのだが、近年では新たな物質が発見されたことで開発が進展している。しかしながら、この分野は依然として発展途上であり、固体電解質の材料の探索と研究開発が今後も不可欠である。

　製造設備が必要

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る。そのため、新たな製造設備を導入する必要があり、その初期投資費用が課題とされている。実用化のためには、コストを削減しつつ量産技術を確立する必要がある。新たな製造プロセスの導入や技術の最適化によって、全固体電池のコスト面での競争力を高めることが求められている。

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　まとめ

全固体電池は魅力的な新技術であり、その特性によってさまざまな応用が期待されている。そのため自動車や電子メーカーだけでなく、材料や半導体、セラミックに関連する企業もその可能性に関心を抱いている。将来的には、全固体電池は日本だけでなく世界中の産業を牽引する技術の一つとなるだろう。

この動向に遅れをとらないためにも、発展する開発競争を注視し、製造や供給に迅速に対応できるよう、市場の動向や各社の取り組み状況を把握しておくことが重要である。また、その中で自社固有の強みや技術をどのように全固体電池の開発に活かしていくのかを考えていくことが不可欠だ。この新たな技術の潮流に乗り実用化に貢献していくためには、常に変化する状況に適応し、革新的なアプローチを追求する姿勢が求められる。

参考記事
・富士経済グループ「全固体電池の世界市場を調査―2040年予測(2021年比)―」
https://www.fuji-keizai.co.jp/press/detail.html?cid=22123&la=ja