全個体電池とは従来の電池と何が違うのか? わかりやすく解説

全個体電池

 

トヨタ、パナソニックは、電池で提携関係にあります。プリウスが搭載する電池は、トヨタとパナソニックの合弁会社製です。トヨタとパナソニックは、次世代電池である全固体電池の開発を共同で進めることでしょう。リチウムイオン電池では、ガソリン車・ディーゼル車を代替するのは難しく、EV時代の本命と見なされているのは全固体電池です。今回は、このような背景を踏まえて、全個体電池は従来の電池と何が違うのかをわかりやすく解説します。

 

1.  全個体電池とは

全固体電池も充電式電池ですが、これはセルの中身もすべて固形です。鉛バッテリー、リチウムイオン電池は内部に電解液がありますが、全固体電池は電解液が存在しません。電解液の役目は固体の電解質が果たします。全固体電池は、固体電解質内でリチウムが素早く移動できる固体電解質用の物質が見つかったことで開発は加速しています。

 

実際に電子を運ぶのがリチウムであれば全固体リチウムイオン電池となり、起電力などは従来のリチウムイオン電池と変わらないでしょう。安全性が高まれば、リチウムの量を増やして大容量化することができるので、急速充電でも冷却装置を簡素化できます。大容量化と急速充電の高電圧化、さらには軽量化で電池の蓄電だけで走るEVの走行性能を高めることができるので、全固体電池に期待が集まっているのです。

 

2.  全個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+極と-極の間にセパレータを挟み絶縁するので、液体の電解質で満たされています。電解液が可燃性有機溶剤のためリチウムイオン電池は熱対策で問題があります。電解液中の異物混入でセパレータを破損させ短絡すると発火や破裂の危険性があります。例えば、中国では電動自転車の発火事故が年間1万件以上も発生しています。日本でも電動アシストサイクルの発火事故は起こっていますが、せいぜい数十件です。少なくとも日本のメーカーが使用しているリチウムイオンバッテリーは信頼性に関してはトップクラスです。日産の電気自動車、リーフは50万台の販売を達成していますが、発火事故がゼロであるということは特筆できるものです。

 

全固体電池は、電解質を有機系液体から無機系固体にしたものです。研究者により発見された材料は、有機電解質比2倍ものイオン伝導率を誇る超イオン伝導体です。リチウムイオン電池は、高エネルギーのため熱暴走しやすいという弱点がありますが、こうした熱暴走を防げるのが全固体電池なのです。

 

全固体電池になると、10分間の充電で500km走行も夢ではなくなるでしょう。電池サイズも小さくなるため、電池が場所を取らずに航続距離のみを伸ばすことができます。電解質が液体から固体に変わることにより、発火のリスクが低下するなど安全性も向上し、エネルギー密度も高くなり、良いことずくめです。充電時間もリチウムイオン電池の3分の1に過ぎず、10数分で充電ができるようになるのです。

 

3.  全個体電池の種類

全固体電池は、薄膜型とバルク型に分けることができます。

 

薄膜型全固体電池は、PVD(Physical vapor deposition)法であるスパッタ法、真空蒸着法、パルスレーザー堆積法などを用いて薄膜を積層させることにより製造され、実用化がされており、寿命が優れていることが実証されています。

 

バルク型全固体電池は、リチウムイオン電池と構造は似ており、違いは固体電解質を使用しているという点です。実用化においては、導電率の高い固体電解質の開発がカギとなります。

 

4.  全個体電池のメリット、デメリット

 

【全固体電池のメリット】

 

(1)リチウムイオン電池と比べて、劣化しにくいこと

リチウムイオン電池(負極に黒鉛使用)の容量低下としては、電解液と黒鉛の界面にできるSEIの成長が主な原因と考えられており、この反応は本来起こってほしくない副反応です。これは主に、リチウムイオンが電解液中を移動する複数のイオンが電荷の運びに影響するのでこの副反応が起こりやすいのです。固体電解質では基本的にリチウムイオンのみが移動するので、副反応劣化が起こりにくい電池です。

 

(2)作動温度範囲が広いこと

 リチウムイオン電池では、電解液に液体を使用しているため作動温度に限りがあります。電解液の粘度は低温で高くなり、電池の内部抵抗上昇につながります。同様に電解液が100℃以上の高温となると、リチウムイオン電池ではセパレータが溶融し始めます。さらに高温になると電解液の蒸発で電池内圧が上がり電池として機能しません。(内圧上昇は、角型電池では安全弁で安全性を担保しています)。

 

全固体電池ではこのような温度変化の異常状態は固体電解質の熱安定性により起こりにくく、このことがメリットの一つです。

 

(3)安全性が高い

リチウムイオン電池の発火事故などが報道される中で安全性への要求は、さらにハードルが高くなりました。リチウムイオン電池は上述のように、短絡などによる発火源から電解液に引火して、破裂・発火に至る場合があります。これに対して、全固体電池では無機系の固体電解質を使用するために、発火の危険性がなくなり、安全性はリチウムイオン電池より遥かに高くなります。大型の電池として、EV搭載電池や家庭用蓄電池などに使用する場合には、高い安全性が求められるため、全固体電池の安全性のメリットがひかります。

 

(4)設計の自由度が高いこと

 
リチウムイオン電池では、電池の作動電圧が3~4V程度で、10V以上の高電圧を発生させる場合は、組電池で対応します。直列接続の組電池としての完成系でなければなりません。電解液を使用していない全固体電池では、ケース内で直列にすることも可能であり、ケース内部で直列にして端子が最終端のみの組電池とすることも可能です。このため、完成系電池として全個体電池は設計の自由度が高く、高出力が望まれる電気自動車対応としての全固体電池のメリットです。

 

【全固体電池のデメリット】

全固体電池の構造は前述のよう...

全個体電池

 

トヨタ、パナソニックは、電池で提携関係にあります。プリウスが搭載する電池は、トヨタとパナソニックの合弁会社製です。トヨタとパナソニックは、次世代電池である全固体電池の開発を共同で進めることでしょう。リチウムイオン電池では、ガソリン車・ディーゼル車を代替するのは難しく、EV時代の本命と見なされているのは全固体電池です。今回は、このような背景を踏まえて、全個体電池は従来の電池と何が違うのかをわかりやすく解説します。

 

1.  全個体電池とは

全固体電池も充電式電池ですが、これはセルの中身もすべて固形です。鉛バッテリー、リチウムイオン電池は内部に電解液がありますが、全固体電池は電解液が存在しません。電解液の役目は固体の電解質が果たします。全固体電池は、固体電解質内でリチウムが素早く移動できる固体電解質用の物質が見つかったことで開発は加速しています。

 

実際に電子を運ぶのがリチウムであれば全固体リチウムイオン電池となり、起電力などは従来のリチウムイオン電池と変わらないでしょう。安全性が高まれば、リチウムの量を増やして大容量化することができるので、急速充電でも冷却装置を簡素化できます。大容量化と急速充電の高電圧化、さらには軽量化で電池の蓄電だけで走るEVの走行性能を高めることができるので、全固体電池に期待が集まっているのです。

 

2.  全個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+極と-極の間にセパレータを挟み絶縁するので、液体の電解質で満たされています。電解液が可燃性有機溶剤のためリチウムイオン電池は熱対策で問題があります。電解液中の異物混入でセパレータを破損させ短絡すると発火や破裂の危険性があります。例えば、中国では電動自転車の発火事故が年間1万件以上も発生しています。日本でも電動アシストサイクルの発火事故は起こっていますが、せいぜい数十件です。少なくとも日本のメーカーが使用しているリチウムイオンバッテリーは信頼性に関してはトップクラスです。日産の電気自動車、リーフは50万台の販売を達成していますが、発火事故がゼロであるということは特筆できるものです。

 

全固体電池は、電解質を有機系液体から無機系固体にしたものです。研究者により発見された材料は、有機電解質比2倍ものイオン伝導率を誇る超イオン伝導体です。リチウムイオン電池は、高エネルギーのため熱暴走しやすいという弱点がありますが、こうした熱暴走を防げるのが全固体電池なのです。

 

全固体電池になると、10分間の充電で500km走行も夢ではなくなるでしょう。電池サイズも小さくなるため、電池が場所を取らずに航続距離のみを伸ばすことができます。電解質が液体から固体に変わることにより、発火のリスクが低下するなど安全性も向上し、エネルギー密度も高くなり、良いことずくめです。充電時間もリチウムイオン電池の3分の1に過ぎず、10数分で充電ができるようになるのです。

 

3.  全個体電池の種類

全固体電池は、薄膜型とバルク型に分けることができます。

 

薄膜型全固体電池は、PVD(Physical vapor deposition)法であるスパッタ法、真空蒸着法、パルスレーザー堆積法などを用いて薄膜を積層させることにより製造され、実用化がされており、寿命が優れていることが実証されています。

 

バルク型全固体電池は、リチウムイオン電池と構造は似ており、違いは固体電解質を使用しているという点です。実用化においては、導電率の高い固体電解質の開発がカギとなります。

 

4.  全個体電池のメリット、デメリット

 

【全固体電池のメリット】

 

(1)リチウムイオン電池と比べて、劣化しにくいこと

リチウムイオン電池(負極に黒鉛使用)の容量低下としては、電解液と黒鉛の界面にできるSEIの成長が主な原因と考えられており、この反応は本来起こってほしくない副反応です。これは主に、リチウムイオンが電解液中を移動する複数のイオンが電荷の運びに影響するのでこの副反応が起こりやすいのです。固体電解質では基本的にリチウムイオンのみが移動するので、副反応劣化が起こりにくい電池です。

 

(2)作動温度範囲が広いこと

 リチウムイオン電池では、電解液に液体を使用しているため作動温度に限りがあります。電解液の粘度は低温で高くなり、電池の内部抵抗上昇につながります。同様に電解液が100℃以上の高温となると、リチウムイオン電池ではセパレータが溶融し始めます。さらに高温になると電解液の蒸発で電池内圧が上がり電池として機能しません。(内圧上昇は、角型電池では安全弁で安全性を担保しています)。

 

全固体電池ではこのような温度変化の異常状態は固体電解質の熱安定性により起こりにくく、このことがメリットの一つです。

 

(3)安全性が高い

リチウムイオン電池の発火事故などが報道される中で安全性への要求は、さらにハードルが高くなりました。リチウムイオン電池は上述のように、短絡などによる発火源から電解液に引火して、破裂・発火に至る場合があります。これに対して、全固体電池では無機系の固体電解質を使用するために、発火の危険性がなくなり、安全性はリチウムイオン電池より遥かに高くなります。大型の電池として、EV搭載電池や家庭用蓄電池などに使用する場合には、高い安全性が求められるため、全固体電池の安全性のメリットがひかります。

 

(4)設計の自由度が高いこと

 
リチウムイオン電池では、電池の作動電圧が3~4V程度で、10V以上の高電圧を発生させる場合は、組電池で対応します。直列接続の組電池としての完成系でなければなりません。電解液を使用していない全固体電池では、ケース内で直列にすることも可能であり、ケース内部で直列にして端子が最終端のみの組電池とすることも可能です。このため、完成系電池として全個体電池は設計の自由度が高く、高出力が望まれる電気自動車対応としての全固体電池のメリットです。

 

【全固体電池のデメリット】

全固体電池の構造は前述のように、バルク型と薄膜型に大きく分けられます。ここでは、バルク型全固体電池のデメリットについて解説します。

 

(1)固体電解質の課題、電解質と電極との接触抵抗の課題

全固体電池では固体であるためにリチウムイオン電池と比べて、電解質のリチウムイオンの移動抵抗が一般的に高く、各電極と電解質間の接触抵抗も高いので、リチウムイオン電池よりも内部抵抗が高くなってしまう場合がありました。ただし、現在では液体電解質と同等以上のリチウムイオン伝導性を有する材料開発や、電極と電解質間の接触抵抗低減のための研究開発が進み、これらの課題も克服されつつあります。

 

(2)電池の製造技術と材料の量産技術が未発達

全固体電池は、リチウムイオン電池などの量産されている電池と比べると、研究開発の初期段階で、量産化には課題があります。どのような製品でも新たな製品を生み出す際には、量産技術が必須となります。性能が高い材料の量産化も研究開発が必要であり、時間と労力を有します。それでも、全固体電池はリチウムイオン電池以上のエネルギー密度と、高容量化できる力を持つ電池といえるのです。 

 

 

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この記事の著者

鈴木 崇司

IoT機構設計コンサルタント ~一気通貫:企画から設計・開発、そして品質管理、製造まで一貫した開発を~

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