全固体電池で注目高まる「電解質」、固体にするだけでは意味がない!?：今こそ知りたい電池のあれこれ（6）（2/3 ページ）
今回は、リチウムイオン電池の正極と負極の間にある「電解質」、そして「全固体電池」について解説していきます。
何かと話題の全固体リチウムイオン電池、基本的には従来と同じ仕組み
安全性向上の観点から開発が進められたリチウムポリマー電池ですが、ゲル化したとはいえ可燃性の有機溶媒を含んでいることに変わりはなく、電池の発火リスクが無くなったわけではありません。では、より発火リスクを低減するにはどうしたらよいでしょうか。
可燃性の有機溶媒を使用せず、同等のイオン伝導率を有する難燃性の固体材料に置き換えることができれば発火リスクの低減が図れます。そこで登場するのが、近年何かと話題の全固体電池です。
全固体電池は、一見これまでの電池とは全く異なる新しい技術かのように捉えられがちですが、基本的な動作原理は従来のリチウムイオン電池と同様です。正極・負極間のリチウムイオンの伝導が「電解液」ではなく「固体電解質」を介して行われるというものです。つまり、電池の中身に液体を使用せず全て固体の材料になっているから全固体電池というわけです。
しかし、全固体電池に明確な定義があるわけではなく、どの程度の材料構成であれば全固体電池であるといえるのかは解釈が難しいところです。海外ベンチャーなどが全固体電池であると主張するものの中には、単に液体材料を固めているだけで実質的にはリチウムポリマー電池と同等であろうというものも散見されます。電池の内部で固体材料と液体材料が共存する場合は「半固体電池」などと呼ばれることもあれば、単に「固体電池」と呼ばれることもあります。
中国のEVスタートアップ企業であるNIOは2021年1月9日に開催した「NIO Day 2020」にて、2022年に150kWhの固体電池搭載モデルを発売すると発表しました。「この固体電池とは全固体電池のことでは？」と各所で話題となりましたが、発表資料中に「固液電解質」「Hybrid Electrolyte」と記載されていることから考えると、実態はリチウムポリマー電池に近い半固体電池の一種ではないかと推察されます。
全固体電池は材料、特性、製法で分けられる
現在、世界中の企業や研究機関が開発を進めている、電池の中身に液体を使用せず全て固体の材料になっている全固体電池の特徴をまとめてみます。
正極・負極間でイオン電導を担う固体電解質ですが、代表的なものは、材料種の観点からは「酸化物系」と「硫化物系」、特性の観点からは「結晶性」と「ガラス性」に、それぞれ大別されます。それぞれの材料や特性に向き不向きがありますが、現在注目される車載用途の場合、結晶性・ガラス性ともにイオン伝導率が高い硫化物系の開発が進められている傾向にあるかと思います。
全固体電池の構造や製法は大きく「バルク型」と「薄膜型」の2種類に分けられます。バルク型は正極、負極、電解質、いずれの材料も粉体を用い、プレスや焼結などによって電池を作製する形式です。電極を厚くしやすく高容量の電池を作るのに向いている半面、粉体材料の粒子間接触をどのように確保し、電池抵抗を低減させるかが課題となっています。
一方、薄膜型は気相プロセスで各材料の薄膜を形成し、各薄膜層を積層する形式です。各材料層が薄いため、バルク型に比べて電池抵抗を低くできる半面、電池容量は小さくなりがちであり、容量を増やすための積層化や大面積化が課題となっています。構造と材料の相性からはバルク型に硫化物が、薄膜型に酸化物が採用される例が多く、薄膜系酸化物全固体電池においては既に市販されている製品もあります。
次に、全固体電池の特徴として注目されているものを順に解説していきます。
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