全固体電池のメリットは安全性の向上だけにとどまらない。応用を拡大するうえで好都合な数々の特徴がある。

まず、電極や固体電解質を薄くして数多く重ねることで、さらなる小型化や大容量化が可能になる。また、電極材料を応用に応じて自在に変えやすい。液体電解質では電極との間で化学的な相性があり、優れた電極と優れた電解質を自由に組み合せることができなかった。電極材料は日進月歩で進化しており、全固体電池ならば、その恩恵を享受しやすい。これらの特徴を生かせば、現在のスマホやノートパソコンの大容量化や大出力化、高速充電への対応がさらに進む可能性がある。

また、液体電解質を密封する容器が不要になるため、電池自体の形状が自由になる。コイン形や円筒形の電池だけでなく、様々な形の電池を作ることが可能であり、電子回路の隙間に電池を埋め込んだり、デザイン性の高い機器に搭載したりすることもできるようになる。また、一般に固体電解質は液体電解質よりも熱や環境の変化に対する耐性が高いため、応用機器の利用環境が広がる。機器が破損した際に有害な液体が染み出てくるようなこともないため、身に着ける機器にも安心して利用できる。加えて、耐熱性が高まることで、機器を組み立てる際に他の電子部品と一緒に一括実装し、組み立てコストを低減できるメリットもある。

固体電解質は、特徴の異なる二種類を使い分け

全固体電池の中核技術である固体電解質には、大きく「硫化物系」と「酸化物系（セラミック）」の２つの種類がある^*4。それぞれに強みと弱みがある。

硫化物系は、大容量化や高出力化に向いた電解質であり、EV用バッテリーとしての応用が検討されている。硫化物系が、大容量化や高出力化に向いているのは、材料自体がリチウムイオンの伝導率が高く、さらに電極と電解質をきっちり密接させやすいからだ。電極と電解質の密着性が低いとバッテリー性能は低下するが、硫化物はゴムのように柔軟な機械的性質を持つため大きな問題にはならない。

その一方で、硫黄を主原料にしているため発火のリスクが残っていること、バッテリーが破損して水分に触れると有害な硫化水素を発生する問題があることから、用途によっては安全性に課題が残る。

酸化物系は、物質自体が極めて安定しているため、安全性が高く長寿命である点が強みである。安全第一で固体電解質を選択するのなら、酸化物系の採用が理想だ。

その一方で、大容量化や高出力化が困難で、用途が限られる点が欠点である。このため、それほどの大容量・高出力が求められないウェアラブル機器やIoTデバイスへの応用が検討されている。硫化物系に比べて高性能化が難しい理由は、原料となるセラミックの粒子が硬く、電極との密着性を高めにくいからだ。

EVの本格的普及には全固体電池の実用化が必須

ここからは、EV用バッテリーとして開発が進められている全固体電池の動向について紹介していく。

トヨタ自動車が1997年に市場投入したハイブリッド車「プリウス」では、バッテリーとしてニッケル水素二次電池を採用していた。これは一定水準以上の高出力を必要としながら、安全性も確保できるバッテリーはニッケル水素二次電池しかないと判断したからだ。逆に言えば、リチウムイオン二次電池は、高性能ではあるが安全性を不安視していたと言える。

ハイブリッド車は、モーターとエンジンを併用している。このため、高速道路での加速のような、特に高出力が必要な場面ではエンジンを頼りにできる。その一方で、EVは、走行中のいかなるシーンにもモーターだけで対応する必要があり、高出力に対応可能なバッテリーが必須になる。このため、米テスラなどが市場投入するEVでは、リチウムイオン二次電池を採用している。

現在の自動車業界では、リチウムイオン二次電池でも工夫次第で充分な安全性を確保できると考える自動車メーカーがEVに積極的で、まだ確保できていないと考えるところはEVに消極的な傾向がある。全固体電池を実用化することができれば、あらゆるメーカーがEVへの取り組みを加速させることになるだろう。しかも、前述したように、既存のリチウムイオン二次電池よりも容量や出力、充電時間の面でも進化させる可能性が出てくる（図4）。

［図4］方式別のバッテリー性能
作成：伊藤元昭
資料：環境関連製品/技術の展示会「エコプロダクツ」でのトヨタ自動車の展示