全固体電池とは
全固体電池とは、リチウム電池の電解質に固体を使用した電池のことです。
リチウム電池は液体電解液を使用して正極、負極、セパレータ、電解液で構成されています。スマートフォンや電動工具、電気自動車などに使われますが、全固体電池は液体ではなく固体の電解質を使用します。また、リチウム電池にはセパレータが搭載されていますが、全固体電池では固体電解質がセパレータの役割を果たします。
現在のリチウムイオン電池は液体の電解液を使用しているため、温度変化による膨れや外力による漏液などの電池破損のリスクがあります。
しかし、固体電解質を用いた全固体電池は、電解質に液体では無く固体を使用しているため、高温状態においても安定性が向上しています。また、仮に電解質が損傷しても形状を維持するため、高い安全性を担保することが出来ます。
全固体電池の使用用途
近年、電気自動車が注目されていますが、搭載するバッテリーの容量は未だ不足しています。それを解消するための一案として、全固体電池が挙げられます。そのため、現代の自動車業界では全固体電池が盛んに研究されています。電気自動車に搭載するバッテリーをリチウム電池から全固体電池に変更することで、車両の航続距離の向上、充電時間の短縮、バッテリー火災のリスクの排除を実現することが出来ます。
将来的には、自動車より大型の輸送機器である電車、飛行機、トラックも全固体電池を使用する可能性があります。
全固体電池の原理
リチウム電池と比較すると、全固体電池の構造はアノードとカソードの間の構造が大きく異なります。従来のリチウム電池では電解質は液体であるのに対し、固体電池は次のもので構成されています。
- カソード
リチウムイオン電池と同じ化合物 (LFP、NMC、LMOなど) で作ることができるカソード (または正極) - セパレータ
一般的にはセラミックまたは固体ポリマーで、電解質としても機能します - アノード
リチウム金属 (純リチウム) でできた負極 - 電解質
全固体リチウム金属電池
固体電解質は、それ自体がアノードとカソードの間のセパレータ、および電解質の両方の役割があります。したがって、固体電解質はイオンが移動する媒体となり、電気絶縁特性を持ち、アノードとカソードの間の機械的セパレータとしても機能します。この固体で耐性のある支持体があることにより、アノード部分のグラファイト構造を取り除き、リチウム金属をアノードに直接蓄積できます。
また、リチウムイオンと比較すると、全固体電池は、電解液部分の密度の増加により、リチウム電池の2～10倍の容量を保持することができます。
全固体電池の種類
全固体電池は製造方法や電解質の素材によって種類を分類することができます。
1. 製造方法
製造方法では「バルク型」と「薄膜型」に大別され、蓄えられるエネルギー量が異なります。
バルク型では、電極や電解液の材料にはパウダー（粉末、粒状物などからなる物質）が使われており、たくさんのエネルギーを蓄えることが出来ます。そのため、電気自動車など大型の機器に使用されることが予想されます。
薄膜型は、真空状態で薄膜電解質を電極上に積層させた全固体電池のことを指します。蓄えられるエネルギー量は少なく、大きな容量を生み出すことはできませんが、サイクル寿命が長く、製造が容易であるなどの利点があります。薄膜型全固体電池は小型のため、IoT機器やセンサーなどの小型機器への使用に適しています。
2. 電解質の素材
電解質の素材によって全固体電池を分類すると、カソードに使用される素材は酸化物、硫化物、リン酸塩、ポリエーテル、ポリエステル、ニトリル系、ポリシロキサン、ポリウレタンなど、25種類以上に及びます。これらの素材は、「無機/セラミック」と「ポリマー」に分類できます。
無機/セラミックとポリマー固体電解質の主な違いは、使用される素材の機械的特性です。無機/セラミック固体電解質では、セラミックスの高い弾性率により、剛性を高めます。その結果、高温などの過酷な環境条件により適した電池にすることが可能です。
ポリマー固体電解質では、ポリマーはセラミックよりも弾性率が低く加工しやすいため、製造コストを削減することができます。