電気自動車の常識を大きく変える全固体電池とは？

昔のゲームボーイアドバンスは電池式で、電池が切れたら交換する必要があり、電池の購入は子供には痛い出費でした。のちに発売されたゲームボーイアドバンスSPではリチウムイオンバッテリーが搭載されており、電池を交換しない快適さに感動した記憶があります。リチウムイオンバッテリーは未来の技術でしたが次第に電気自動車やハイブリッドカーが実用化され、市場で一般販売されるようになりました。昔よりも技術の進んだこの世界でも技術の限界は必ず訪れます。そんな壁を乗り越える新しいイノベーションが登場しようとしています。この技術は今までの生活を変え、ありとあらゆるテクノロジーを新たなレベルの体験へと導いてくれます。そんな新しい技術で世の中から期待されている全固体電池について紹介していきたいと思います。

全固体電池とは

テレビのリモコンに入ってる乾電池、スマートフォンに搭載されているリチウムイオンバッテリー、車のデジタル機器を動かすためのバッテリーなどさまざまなところでバッテリーは活躍しています。しかし、新しい全固体電池とはどんな技術なのでしょうか。

全固体電池はどんなバッテリーなの？

全固体以前の乾電池やスマートフォンに搭載されているリチウムイオンバッテリーまでは液体のバッテリーでした。バッテリーの液体の正体は電解質であり、蒸発をしてしまったり液漏れをしてしまうといったデメリットがありました。この電解質の液漏れや蒸発は長年バッテリーの課題でした。そんな電解質の問題を解決したのが全固体電池です。全固体電池は酸化物系や硫化物系のような無機系固体電解質や有機系固体電解質などがあり、さらに水を含まないドライ系電解質やウェット系電解質があります。どれも電解質はメリットやデメリットがあり、一長一短な技術なので使う用途を考える必要があります。

全固体電池の特徴や課題は？

全固体電池の最大の特徴は充電時間の早さです。全固体電池は充電時間の短縮が望めるので、急速な充電を必要とする電気自動車などで活躍すると考えられます。また全固体電池は他の電池と違って液漏れの心配もなくなるので、安心して使用することができます。また、液体ではないのでバッテリー全体の耐久性能の向上も見込めるのではないでしょうか。

メリットだけではなく全固体燃料には課題があります。充電能力の高さで高速充電可能なのが全固体電池の大きな特徴です。しかし、その反面電解質と電極の抵抗が大きいために高速放電が難しいという弱点もあります。また、気温の低い地域では最大限の性能を発揮することができません。

リチウムイオンバッテリーと全固体電池の違い

新しい技術で注目されている全固体電池とさまざまなデジタル機器に搭載されているリチウムイオンバッテリーの大きな違いはどんなところにあるのでしょうか。

液体か固体か

リチウムイオンバッテリーと全固体電池の違いは大きいようで意外と少ないです。リチウムイオンバッテリーはバッテリー内の電解質が液体なのに対し、全固体電池はバッテリー内の電解質が固体に置き換わっています。ただ液体から固体に変化しただけのように感じますがその効果は大きく現れています。リチウムイオンバッテリーに内蔵されている液体の電解質は気温の変化に弱くイオン伝導率が低下してしまいます。また最悪の場合電解質は可燃性であり電池の温度が上昇しすぎると燃える危険性があります。それに対し全固体電池に内蔵されている固体の電解質には耐熱性が高い物質が使われており、低温下では性能が下がるものの液体の電解質よりも高いパフォーマンスを発揮できます。

バッテリーの大きさが変化

リチウムイオンバッテリーなどの液体を使用したものと全固体電池のバッテリーの違いは大きさに現れています。電解質はイオンを移動するだけの役割を持った物質であり、液体から固体に変化しても一定の体積内に蓄えられるエネルギー量が変化することはありません。しかし、リチウムイオンバッテリーに比べて全固体電池の大きさは小さくなっています。バッテリーの大きさを小さくできる秘訣は耐熱性の高さにあります。リチウムイオンバッテリーは可燃性の電解質を使用しているので温度の上昇に弱く、最悪の場合炎上や爆発するといった危険性があります。そのため、温度上昇を防ぐためにバッテリー内に冷却装置を設置する必要がありました。それに対して全固体電池は耐熱性に優れており、冷却装置を省くことができるためバッテリーを小型化することが可能となりました。

充電速度にも変化が

バッテリーを高速充電すると熱が発生しますがリチウムイオンバッテリーではその熱に弱く速度に限界がありました。しかし全固体電池は熱に対し高いポテンシャルを持っており、高速充電で発生する熱にも対応できます。また、電解液の分解に制限があり高電圧化に限界がありましたが、全固体電池ではその制限がなくなり高電圧化が可能になるので急速充電が可能となっています。

次世代バッテリーの全固体電池はどこで活躍するのか

次世代バッテリーの全固体電池は実用化目前と言われていますが実際に実用化されるのはいつ頃なのでしょうか。スマートフォンのGALAXYを販売しているSAMSUNGは直近1〜2年内に販売される次世代機に全固体バッテリーが搭載されると発言していたりと一般層に普及するのは目前となっています。では、自動車業界ではいつ頃実用化されるのでしょうか。

トヨタが2020年に全固体電池搭載のEVを実用化予定

https://www.toyo.co.jp/solution/car/column/detail/id=15675

トヨタは次世代バッテリーの全固体電池に期待をしており、創業時から電池の重要性を認識していると発言しています。またトヨタは電池メーカーであるとさえ考えられるほどこだわりを持って開発していると話しています。しかし量産には多くの課題が残っており、非常に難しい技術が求められます。ですがトヨタは積極的に試作電池を作り量産に向けてチャレンジしていくと発言しているので期待していきたいです。

全固体電池を搭載したデンドロビウムD-1

デンドロビウムD-1はオートモーティブから発売される初めての市販電気自動車です。デンドロビウムD-1の開発はイギリスで行われていてこの自動車には全固体電池が搭載されています。生産される予定の台数は数十台規模で限定生産に向けて生産予定であり、製造開始されるのは2019年とのことなので全固体電池が活躍する日は案外近いかもしれません。

全固体電池は実用化前の技術ですが実際に実用化されたら我々の生活が大きく変化するのは間違いありません。スマートフォンでは基盤を小型化しリチウムイオンバッテリーの容量を増やしています。電気自動車のバッテリーが小型化されれば渡航距離は大幅に長くなり、室内空間にゆとりが出ます。そんな全固体電池のポテンシャルに期待しています。