全固体電池はどのメーカーが作っているの？
全固体電池は実用可能なの？
全固体電池の実用可能性、作っているメーカーについて気になっている方も多いですよね。
結論から言えば、「村田製作所」「トヨタ自動車」など様々なメーカーが、全固体電池の開発に取り組んでいますが、全固体電池の実用化にはまだ5年以上かかるとされています。
この記事では、革新的な全固体電池を作っているメーカーや全固体電池は実用可能なのかを詳しく解説していきます。
記事を読み終えれば、全固体電池が脱炭素化社会問題を解決する可能性について理解してもらえるでしょう。
全固体電池とは「夢の電池」
全固体電池は、脱炭素化社会に向けて大きな注目を集めています。
現在、パソコンやスマホ、電気自動車のバッテリーに使われている電池は、リチウムイオン電池が主流です。
リチウムイオン電池は、リチウムイオンが正極と負極を移動することで、充電と放電が行われる仕組み。
正極には酸化物などが使われており、負極にはカーボンなどが使われています。
リチウムイオン電池には、正極と負極が直接触れるのを防ぐために正極と負極の間にセパレーターが必要となります。
一方で、現在大きな注目を集めている全固体電池は電解液を使用しません。
正極と負極の活物質が直接触れる可能性がないため、全固体電池はリチウムイオン電池と違ってセパレーターを必要としません。
全固体電池はセパレーターを必要とせず、薄型の形状を採用できるので自由度が高いです。
さらに、層を重ねることにより、電池の小型化や大容量化を図ることもできます。
また、多層化により電気自動車の充電時間を1/3程度に短縮することができるため、高速充電が可能になります。
全固体電池を利用するメリット3つ
全固体電池を使用するメリットは、主に以下の3つです。
- 安全性が高い
- 超急速充電
- 設計の自由度が高い
安全性が高い
リチウムイオン電池は、電解液に有機溶剤を使用しているため、発火や破裂などが生じる危険性があります。
実際に、電池ケースが破損してしまった際には、電解液の液漏れが発生するケースもありました。
一方で、全固体電池は、電解液を使用することなく、固体電解質を使用するため、発火や破裂などの危険性が低いです。
全固体電池には、固体電解質が使用されるので、電池ケースは損傷時の液漏れの心配がなく、リチウムイオン電池よりも安全性が高いのです。
超急速充電
従来のリチウムイオン電池は、高温になると熱暴走により、有機溶剤を使用した電解液が気化して膨張し、発火しやすくなるという難点がありました。
一方で、全固体電池には、固体電解質が使用されるため、熱暴走するリチウムイオン電池よりも高温に強く、安全性が高いという特徴があります。
また、全固体電池は、リチウムイオン電池と比較して、抵抗が小さいためリチウムイオンの移動が速く、電池自体の発熱量が小さくなり、高負荷に耐えることができます。
結果的に、全固体電池は、リチウムイオン電池よりも「超急速充電」に適しているという点で優れているのです。
設計の自由度が高い
リチウムイオン電池には、電解液の液漏れを防ぐために、電解液を密封する丈夫な容器が必要でした。
しかし全固体電池では、液体電解質を閉じ込めておく容器が不要であるため、電池自体の形状が自由になり、形状の縛りがありません。
全固体電池は、薄くしたり、層を重ねることで多重構造を作ったり、折り曲げたりできます。
ボタン型・円筒形の電池だけでなく、様々な電池を作ることが可能になり、これまで実現できなかったデザイン性の高い機械に電池を搭載したりできるのも、大きな魅力でしょう。
全固体電池を作っているメーカー
全固体電池の開発に取り組んでいるメーカーは多数存在しますが、今回は下記の4メーカーを紹介します。
- 村田製作所
- トヨタ自動車
- 日産自動車
- TDK
村田製作所
村田製作所は、2017年にソニーグループから電池事業を買収し、全固体電池事業に参入しました。
同社では、世界シェアトップの4割を占める積層セラミックコンデンサーの技術を生かし、全固体電池を開発しました。
村田製作所の全固体電池には、固体電解質として酸化物が使われており、EVに用いられる全固体電池の固体電解質には、主に硫化物が使われています。
硫化物を使用する全固体電池と比べて、酸化物を使用する全固体電池は高出力や大容量には向かず、パワフルな電池ではありません。
しかし、電子部品と同様に基板上に配置することができるため、電池を置くスペースを狭くすることが可能になり、デジタル機器を小型化できます。
トヨタ自動車
トヨタ自動車自動車は、全固体電池の開発で先行しており、常温全固体型膜層リチウムイオン電池の試作に成功しています。
同社が全固体電池の実用化を決めたのは、東京工業大学などと共同で、既存の液体電解質を上回る、イオン伝導率を示す新しい固体電解質の開発に成功したためです。
現在、多くのメーカーでは、主にEVのために全固体電池の開発が進められています。
しかし、驚くべきことに、トヨタ自動車は全固体電池をEVよりも先に、HEVから採用していくことを発表しました。
トヨタ自動車は、HEVから実用化していく理由について、「イオンがバッテリーの中を高速に動くため、高出力が期待できるから。」と説明しています。
日産自動車
日産自動車は、自社開発の全固体電池を搭載したEVを、28年度までに量産すると発表しました。
全固体電池の採用で、軽量化と低床化を実現した、3種類のコンセプトカーも公開しています。
電池コストについては、全固体電池の量産により、1kWhあたり75ドルに下げ、その後65ドルまで下げることで、EVとガソリン車のコストを同等水準にすることも考えています。
また、日産自動車は、リーフに搭載されている現行のリチウムイオン電池に比べ、全固体電池のエネルギー密度を2倍し、充電時間を3分の1の時間に短縮することを目標としています。
TDK
TDKはSMDタイプの全固体電池である、セラチャージ(CeraCharge)の開発に成功しています。
セラチャージ(CeraCharge)は、セラミック技術と高度な積層技術を元に開発されました。
また、SMDタイプの全固体電池であるため、電池の配置が容易なことから、組み手立てコストを抑えることが可能です。
現在、TDKはすでにセラチャージ(CeraCharge)を量産しており、調理用温度計などに出荷しています。
セラチャージ(CeraCharge)のような超小型の全固体電池が民生機器で発展した場合、スマートグラスやイヤフォン、体内に埋め込むような端末など、より体に近い部位にもウェアラブル端末を安全に扱うことができるようになります。
全固体電池の実用可能性
実用化にはまだ時間が必要
全固体電池のEVへの実用化は、少なくとも2020年代後半までには達成できないと言われており、従来予想されていたよりもかなり遅くなっています。
トヨタ自動車は、東京オリンピック・パラリンピックで伴走車として使われた試作車の結果から、全固体電池はHEVへの搭載に向いていることがわかってきたと発表しました。
また、トヨタ自動車は、全固体電池の量産に向けて、材料から探す必要があることを明らかにしました。
現在の全固体電池には、材料の膨張収縮などの解決すべき課題が多いためです。
全固体電池の実用化に向けて、固体電解質の材料の研究が続いていますが、量産化するためには固体電解質の層を集積したモジュールの設計・製作も必要となります。
スマートフォンに搭載するリチウムイオン電池には、数千mAhが必要ですが、現在開発されている全固体電池には、スマートフォンに搭載可能な容量すらありません。
全固体電池を多くの電気を必要とするEVへ搭載するためには、容量の問題も解決しなければならないため、EVへの実用化は、容易ではないのです。
量産化とコスト
全固体電池のEVへの実用化のポイントは、量産化とコストであるといっても過言ではありません。
そもそも全固体電池の価格が高ければ、EVへの搭載は非現実的です。
量産化技術の確立により、どこまでコストダウンを図れるのかが、今後全固体電池をEVに搭載していくカギとなるでしょう。
全固体電池のシェア
富士通経済は、全固体電池の世界市場が、2035年に2兆1,014億円になると発表しました。
また、EV向けの全固体電池の世界市場は、容量ベースで2020年見込みの44メガワット時から10万1,600メガワット時に拡大すると予測しています。
さらに、全固体電池の固体電解質別に見ると、2035年の市場規模予測は硫化物系が1兆5,775億円、酸化物系が4,452億円、高分子系が755億円、錯体水素化物系が32億円と推定しています。
現在、酸化物系と硫化物系の固体電解質を持つ全固体電池の市場が立ち上がっており、今年2020年に計34億円が見込まれています。
2025年頃から全固体電池を搭載したEV車種が増加し、市場が活発化すると言われています。
全固体電池はスマートフォンに使用できるのか
全固体電池のスマートフォンへの利用は、未だ実現されていません。
しかし、ソフトバンクなどの企業が大学と共同研究を進めています。
高エネルギー密度全固体電池の研究
ソフトバンクは、住友化学および東京工業大学と共同で高エネルギー密度全固体電池の研究を行っています。
- Li10GePS12系固体電解質
- リチウム過剰系正極材料
を組み合わせることで、新たな極を開発し、既存正極の容量を上回る初回放電容量として、250mAh/gを記録しました。
ソフトバンク・住友化学・東京工業大学は、液体電池では使用が難しく、これまで成果を出せなかったリチウムイオン過剰系正極材料を固体電解質と組み合わせることで一定の成果を出すことに成功しました。
まとめ｜まだ時間はかかるものの、全固体電池は普及していくことが予想される
全固体電池は量産化やコストの問題から、実用化にはまだまだ時間がかかります。
しかし、全固体電池には、高い安全性や超急速充電などたくさんのメリットがあるため、全固体電池は将来、普及していくことが予想されます。
全固体電池が今後の研究により、どのように普及していくのか必見です。
