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全個体電池の解説とこれからの可能性

全個体電池の解説とこれからの可能性

 

私たちが暮らしの中で使っている電池の主流はリチウムイオン電池。電池の中には電気を蓄えたり放出するために必要な電解質が液体でできているため、使い方をまちがえると膨張したり発熱したりし、発火する危険性があります。
 
全てが固体でできている全固体電池は、高性能で安全性が高く、小さいサイズでより多くの電気をより早く蓄えられるので、リチウムイオン電池に替わる次世代の電池ともいわれています。電気自動車、太陽光発電など蓄電池の需要が増えている現在では、全固体電池への期待がふくらんでいます。

 

 

 この記事は下記の内容構成になります


 ・全個体電池とは
  ≫全個体電池の特徴
  ≫2種類の全個体電池
  ≫仕組み・構造
 ・全個体電池の状況
  ≫実用化と普及
 ・便利になる世界
  ≫EVカー・ハイブリッドカー
  ≫携帯電話・スマートフォン
  ≫太陽光発電と蓄電
 ・世界が注目する日本の開発【まとめ】

 

 

全個体電池とは?

全固体電池とは

リチウムイオン電池の液体部分が固体の材料になった次世代の電池で、そのネーミングの通り全ての材料を固体化した電池のことを全固体電池といいます。

 

負極と正極の間にセパレーターだけがあり、電解液がありません。電解質が全て固体でできているため、負極と正極を固定できるので触れ合うことがなく、発火などの危険性が低く安全性が高い電池です。

 

全個体電池の特徴

 

液体部分が固体材料になったことで、これまでの電池よりもサイズが小さくても容量や出力を大きくすることが可能になります。正極と負極を確実に分離することができるので、ショートの可能性を低減できます。

 

  • 安全性 : 様々な環境下で安全に利用できる
  • 効率 : 蓄電した電力は利用可能な電力が100%に近い
  • 蓄電時間 : 早くたくさん蓄電できる
  • サイズ : 従来の電池より小さい
  • 寿命:劣化しにくい特性を持ち寿命が長い

 

全個体電池は大まかに2つの種類がある

 

全固体電池には大まかに「酸化物型」と「硫化物型」があり、それぞれメリットとデメリットがあります。

 

「酸化物型」は、固いセラミックを利用し耐熱性に優れています。

  • メリット:安全性が高く、寿命が長いのでウエラブル(身に着けられる)な機器に期待される
  • デメリット:電極を密着させることが難しく、大容量・高出力の実現に課題がある

 

「硫化物型」は、電極を密着させやすいゴムのような柔軟な特性を持っています。

  • メリット:大容量・高出力でEV用バッテリーとして期待される
  • デメリット:水分が触れると有毒ガスを発生させるので安全性に課題がある

 

全個体電池の仕組みとメリット

 

正極にコバルト酸リチウム(LiCoO2)が、負極に黒鉛が使われ全固体電池はリチウム電池と構造がよく似ています。

 

液漏れしないので、従来の電池の形状より薄くコンパクトになります。自由な設計ができるので、重ねたり折り曲げたりすることもできます。熱に強く・丈夫・変質しない・寿命が長い・あっという間に充電ができるようになります。

 

【全固体電池のメリット】

  • 電解液の液漏れ揮発と、その発火の恐れがなくなり安全性が向上する
  • 数分で80~90%充電でき、超高速充電が可能になる
  • エネルギー密度の大幅向上に見込みが得られる
  • 電池の設計に縛りがなく・自由度が高く・多層化が可能になる
  • 高温・低音でも幅広い温度で性能を発揮できる

 

全個体電池の状況

全固体電池の状況

 

全固体電池は、リチウムイオン電池の替りとして大きな可能性と期待が持たれていますが、現段階では、その実現に向けコスト面・量産可能な製造技術など、いつくかの課題があります。

 

実用化と普及

 

開発は確実に進められているものの、全固体電池の実用化にあたって肯定的な意見と否定的な意見があります。

 

否定的な意見は、コスト面まで考慮した場合、リチウムイオン電池を置き換えるまでに至らないという見方があります。コンピューターの二次記憶装置であるHDDが完全にSSDに置き変わらないことと似ているかもしれません。

 

用途によっては、価格が抑えられ、周辺技術を含めて普及しているリチウムイオン電池を改良しながら利用する方がいいのではないかという意見もあります。そのため、全固体電池の普及は2030年以降になるのではないかといわれていますが、開発が進み、コスト面・量産化の目処がたってくれば、実用化の時期は早まる可能性もあります。

 

全個体電池で便利になる世界

全固体電池で便利になる世界

 

全固体電池の可能性は計り知れず、電気自動車・ノートパソコン・スマートフォンなど、現在リチウムイオン電池を使う機器が全固体電池を使うことになると利便性だけではなく、形を大きく変えてしまう可能性もあります。
EVカー・ハイブリッドカー

 

交通事故の際の発火などの危険性が減り、より安全な自動車となります。車のコスト・重量の軽減が期待できます。

  • バッテリースペースが小さくなり居住空間が広がる
  • バッテリー重量が軽くなり燃費が向上する
  • 充電時間が早くなりガソリンを入れるような手軽さで充電できるようになる
  • バッテリーの容量の増加・効率化によりEV自動車の航続距離が長くなる

 

このような結果、エコを実現しCO2排出量が減り環境問題への貢献が期待できます。

 

携帯電話・スマートフォン

携帯電話・スマートフォンのリチウムイオンバッテリー

 

今とは全く違うバッテリーの形状や重さに縛られないウェラブルデバイスが登場する可能性があります。

  • スマートフォンの発火事件が激減する
  • スマートフォンの充電切れや充電時間に悩まされなくなる
  • 小型・軽量のスマートフォンが開発される
  • ACアダプターを持ち歩く必要がなくなる

 

太陽光発電と蓄電(電力会社・家庭)

 

現代社会の電力依存度はとても高く、そのなかでも、バッテリーに関する関心は近年ますます高くなってきています。

発電のタイミングや量と電力利用のタイミングをずらすことができることにより、効率がいいタイミングで発電し、必要な時に利用することで、火力発電の負荷が減り環境問題への貢献が期待できます。

 

世界が注目する全固体電池の日本の開発

 

トヨタ自動車・TDK・村田製作所による全固体電池の開発は世界中から大注目を浴びています。発火のリスクが低い・温度に左右されない・劣化しにくいなど様々な性能に優れた全固体電池は、これまでリチウムイオン電池が私たちの暮らしに大きく変化を与えたように、さらに便利な暮らしに変化することが期待されています。

 

 

 

 

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 金属リサイクルの専門家として金属スクラップを取り扱う神田氏と山崎氏が解説しています。

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