リチウムイオン二次電池の数少ない欠点が安全性

極めて優秀なバッテリーであるリチウムイオン二次電池だが、欠点がいくつか残されている。そのうち、応用分野を拡大する上で最大の課題となっているのが安全性である^*3。

リチウムイオン二次電池は、衝撃による破損や高温環境での使用によって、発火・爆発を起こす可能性がある。このため、常に身に着けて利用することになるウェアラブル機器や、過酷な環境に置くIoTデバイス、安全第一のEV用バッテリーとしては利用しにくい面があった。逆に言えば、リチウムイオン二次電池の安全性を向上させることができれば、これらの電子機器やクルマが飛躍的な進化を遂げる可能性がある。

リチウムイオン二次電池の安全性向上が難しかったのは、電池の材料に発火しやすい揮発性の液体有機溶媒を使う必要があったからだ。リチウムイオン二次電池は、電池内部で正極と負極の間でリチウムイオンをやり取りすることで、充放電動作を行う（図2）。その際、両極の間を満たす液体電解質の中をリチウムイオンが動いて動作する。電解質に水溶液を利用できれば、いくらか安全性を高めることができるのだが、リチウムは水と反応しやすい性質を持つため、可燃性の有機溶媒にリチウム塩を溶かして電解質を作らざるを得ない。電池が破損して液漏れを起こせば極めて危険であり、しかも高温環境下で利用すると化学反応が過度に進み一気に劣化する可能性があった。

［図2］リチウムイオン二次電池と全固体電池の構造
作成：伊藤元昭

さらに、液体の電解質を利用する際には、正極と負極が直接触れることがないように工夫する必要があった。電極同士が触れると、瞬間的に大電流が流れる短絡現象（ショート）が起き、有機溶媒が発火する可能性があるからだ。このため、セパレータと呼ばれる部材を使って、リチウムイオンは自由に行き来できるが電極同士は直接触れることがないように分離する必要があった。しかし、何らかの衝撃が加わったりするとセパレータが破損し、ショートが起きてしまう。

欠点を克服し、利点を増大する全固体電池

リチウムイオン二次電池のメリットを維持しながら、安全性や耐環境性を高めることができるバッテリーとして、その実用化に期待が集まっているのが全固体電池である（図3）。そのコンセプトは、可燃性の電解質に代えて、固体でありながらイオンの動きを妨げない材料を電解質として利用することで安全性を高めるという単純明快なものだ。不燃性の材料を使えば発火・爆発する可能性はなくなり、固体材料で正負両電極の位置を固定して隔てればショートする可能性も低減する。これが実現できれば、これまで安全面に難があって利用できなかった用途でも活用できるようになる。このため、現在、世界中の企業や研究機関が、全固体電池の実用化に向けた研究開発を精力的に進めている。

［図3］リチウムイオン二次電池に対する全固体電池の利点
作成：伊藤元昭