全固体電池に取り組むメーカー・企業｜市場規模や歴史についても解説

電気自動車（EV）の電源としての実用化に向けて注目が集まる「全固体電池」。開発途上の技術ではあるものの、寿命が長い、超急速充電ができるなどのメリットをもつことから、多くの産業での利活用が期待される。本記事では、全固体電池の市場規模や動向、積極的に開発を行う企業について解説していきたい。

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　全固体電池とは？

全固体電池とは、全て固体の電解質で構成されている電池を指す。リモコンやラジオ、髭剃りなど、家電や日用品で頻繁に使用するアルカリ乾電池には電解液が使用されている。

電解液は液体であるため、液漏れを防ぐためにさまざまな工夫が必要だ。しかし、全固体電池は固体の電解質であるため、高温や圧力にも強く丈夫で、かつ形状の制約がなくなるため、多層化すれば小型化・高速充電も可能となる。これらの性質から、リチウムイオン電池に代わる次世代の電池として期待が高まっているのだ。

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　全固体電池とリチウムイオン電池の違い

リチウムイオン電池は、従来のマンガン電池やアルカリ電池といった使い捨て乾電池と異なり、充電が可能な点、また小型かつ耐久性に優れていることから、電気自動車やスマートフォンやパソコンなどに使用されてきた。

全固体電池との大きな違いは電解質である。リチウムイオン電池で使用されている電解質はあくまで液体であり固体ではない。そのため、過充電や過放電によって液漏れが起こるリスクがあるほか、充電に時間がかかる。それと比べて全固体電池は液漏れの心配もなく、急速充電も可能だ。

　全固体電池と全樹脂電池の違い

全固体電池に似た言葉に全樹脂電池がある。全樹脂電池とは素材に樹脂を使用したリチウムイオン電池のことを指す。日本の電池メーカーであるAPB株式会社が世界で初めて開発したもので、リチウムイオン電池の問題点であった液漏れによる発火リスクをカバーしている点に特徴を持つ。さらに、バイポーラ構造を採用したことで、より低コストでの製造が可能となる。しかしながら、まだ製造技術に関しては発展途上であり、実用化・量産化には至っていない。

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　全固体電池の歴史について

全固体電池の歴史は非常に古い。「電磁誘導の法則」を発見したことで知られる物理学者マイケル・ファラデー氏が、1831年に固体電解質中で硫化銀とフッ素鉛が特定の挙動を示すことを発見した。これは、固体物質が電気伝導性を持つ可能性を示唆するものだったが、しばらくは成果につながる研究はなされてこなかった。

時が経ち、1950年代にはヨウ化銀を電解質として用いた全固体電池の特許が公表されたが、導電率の低さなどの課題もあり実用化には至らなかった。そこから、研究としては停滞期が続き、2000年代に電気自動車（EV）が普及したことで再び全固体電池に注目が集まる。2001年には出光興産、2006年にはトヨタ自動車とさまざまな会社が全固体電池の実用化に向けた要素技術研究を本格化させる。

2016年には、東京工業大学物質理工学院の菅野了次教授、トヨタ自動車の加藤祐樹博士らの研究グループが、全固体電池（セラミックス）の開発に成功。さらに2017年にはリチウムイオン二次電池の発明で知られるジョン・グッドイナフ教授らの研究グループが高い安全性と長時間の電気供給が可能な全固体二次電池を開発した。

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　全固体電池の市場規模・動向

株式会社富士経済の調査によると、世界における全固体電池の市場規模は、2022年時点で60億円、2040年には3兆8,605億円に到達すると予測されている。

内訳をみると、酸化物系の全固体電池は2025年頃から電気自動車（EV）向けに需要が高まるとみられ、2040年には1兆2,411億円まで伸長するとされている。硫化物系の全固体電池は、2030年代以降に新規材料を採用した全固体電池の展開が予想され、2040年には2兆3,762億円まで拡大するとされている。

まだ、要素技術が確立されておらず市場が成熟していないため、国別の市場規模は計りかねるが、全固体電池に関連する特許の2001年から2018年における累計出願件数は、日本が世界最多だ。しかしながら、2015年から中国の出願数が急増しており、2018年は日本の3倍近くの600件弱に達している。

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　全固体電池の開発における日本の現在地

2016年に、東京工業大学とトヨタ自動車の研究グループが全固体電池（セラミックス）の開発に成功したように、日本において全固体電池の開発は非常に盛んである。

例えば、2021年4月には電池サプライチェーン全体での発展を目的とした一般社団法人 電池サプライチェーン協議会（BASC）が発足。さらに、2022年6月には国立研究開発法人物質・材料研究機構（NIMS）がトヨタ自動車、デンソー、JFEスチール、住友化学などの民間企業10社とともに、酸化物系の全固体電池の実用化に向けた研究を行うための横断組織「全固体電池マテリアルズ・オープンプラットフォーム」を始動すると発表した。

この動きは、産学にとどまらず政府もカーボンニュートラルの実現に向けた政策の一環として資金を積極投入している。その代表的なものが、2021年に立ち上がった「グリーンイノベーション基金事業」だ。これは2050年カーボンニュートラルの実現に向け、NEDOに2兆円の基金を造成し、最長10年間、研究開発から社会実装までを継続支援する取り組みだ。この中には全固体電池を含む次世代蓄電池の開発も含まれており、1,205億円の予算が充てられている。

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　全固体電池を開発する企業・メーカー

最後に、全固体電池の研究開発を行っている企業・メーカーを紹介したい。「全固体電池マテリアルズ・オープンプラットフォーム」を活用したり、単独で業務提携をしたりして、他社と協業をする形で開発を進めているケースも多くみられる。

　出光興産

出光興産は、2001年に硫化物系の固体電解質の研究開発に着手していることから、日本においては全固体電池の先駆け的存在といえる。2023年6月には、全固体電池の供給能力の向上を目的として、2021年から稼働していた固体電解質の小型実証設備第1プラントの増強を決定。出光興産は2013年からトヨタ自動車と全固体電池の共同研究を行ってきたが、2023年10月にはトヨタ自動車と全固体電池の量産化へ向け、協業することを発表している。

　トヨタ自動車

トヨタ自動車は、出光興産に次いで2006年と早い段階から全固体電池の開発を進めている。先に述べたとおり、2023年10月に全固体電池の量産化に向けて出光興産との協業を発表。なお、トヨタ自動車と出光興産の2社ともに、全固体電池および硫化物系固体電解質に関する特許保有件数は世界トップクラスである。ハイブリッド車に全固体電池を採用していく方針で、実用化の時期を2027年ごろと発表しており、トヨタの電気自動車世界シェア獲得への並々ならぬ熱意を感じる。

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　General Motors（GM）

2021年10月、GMはミシガン州に新しいバッテリー工場「Wallace Battery Cell Innovation Center」を建設し、リチウムバッテリーや全固体電池の開発に注力すると発表した。

2022年7月には、韓国の化学素材製造メーカーのPOSCO Future M（旧POSCO Chemical）と提携し、電池材料を生産する合弁会社「Ultium CAM」を設立している。さらに、2023年6月にはUltium CAMの事業拡大に向けて、10億米ドル以上を投資。

GMは主に北米を舞台に、原材料採掘から要素技術の開発、実用化、生産体制などEV電池のサプライチェーン構築を目指しており、北米全体で投資の拡大と雇用創出を狙っている。

　TDK

TDKは、いち早くIoT向けの酸化物系全固体電池「セラチャージ」を開発した。2020年には量産化に成功。さらには、全固体電池の性能向上を目的にマテリアルズ・インフォマティクス（MI）の取り組みを加速させており、社内に蓄積された材料ごとの実験データをAIが高度な解析を行うことで、これまでよりも短時間で新しい素材の発見や開発につながる可能性を高めようとしている。

　LGエネルギーソリューション

韓国は2030年に次世代電池で世界1位の国家になることを目指しており、産学官連携の「次世代二次電池官民協議体」を発足。ここには、LGエナジーソリューションのほか、サムスンSDIやSKオンといったバッテリー大手メーカーや、韓国電気化学会、科学技術情報通信部といった政府機関も参画している。

また、ゼネラルモーターズとは合弁で複数のバッテリー工場を設立している。LGエナジーソリューションは、2028年を目標にポリマー系全固体電池の量産、2030年には硫化物系の全固体電池の実用化を目指している。

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　まとめ

全固体電池は本格的な実用化には至っていないが、自動車メーカーを中心にさまざまな企業が開発に積極投資をしており、EV搭載へ熾烈な開発競争が繰り広げられている。しかしながら、国内でいえば、横断組織「全固体電池マテリアルズ・オープンプラットフォーム」を通じた共同研究や、合弁工場の建設など、一部、お互いのリソースを共有し合って、全固体電池の技術発展を高める動きもみられる。

全固体電池はカーボンニュートラルに関連する技術でもあるため、ビジネス環境の変化は著しいと予測される。各国の動向や各社の取り組み、新しい技術の活用状況など広く情報を収集し、自社の研究開発や事業戦略に生かしていくことが肝要といえるだろう。