全固体電池 | K2challenger

先日バッテリー用のセパレータに関する記事を書きましたが、その延長で全固体電池にも興味を持ったので、今回は全固体電池について書いてみたいと思います。

全固体電池とは

そもそも「全固体電池」とは何なのでしょうか？
全固体電池はリチウムイオン電池の一種で、リチウムイオン電池と同様に充電して繰り返し使える電池です。

何が違うかというと、電解質で使われる材料が違うのです。
従来のリチウムイオン二次電池は下図の左側にあるとおり、正極・負極、電解液、セパレータで成り立っています。
一方全固体電池は、電解液ではなく不燃性の固体電解質を使用しています。

リチウムイオン電池との違い

リチウムイオン二次電池では「電解液」が使用されていると書きましたが、この電解液は有機溶媒なので燃えやすいというリスクを抱えています。
そして、実は寒さにも弱いのです。リチウムイオン二次電池はリチウムイオンが正極と負極を行き来して充放電を繰り返しているのですが、寒くなるとリチウムイオンの行き来が鈍くなってしまうのです。

全固体電池は、電解液を固体に置き換えたものなのですが、もちろん何でもいいわけありません。リチウムイオンが行き来できる物性が必要なのですが、リチウムイオン二次電池で使用されている有機溶媒の電解液と同程度のイオン伝導率を持つ固体電解質がなかなか見つかりませんでした。

ところが、近年の技術の進歩により、現在は様々な固体電解質が開発されています。

固体電池のメリット

高い安全性
リチウムイオン二次電池で使用されている有機溶媒の電解液が可燃性なので、安全性の確保が必然となるのですが、不燃性の固体電解質を使用することによってその問題が解決されることが期待されています。

耐熱性
固体電解質に使用される材料は無機材料なので、熱に大変強いのです。

小型化
上記の耐熱性にも関係するのですが、現在のリチウムイオン二次電池は、大型化したり大電流を放電すると、電池温度が上昇しやすくなります。そのため、大型の電池には冷却機構が設けられています。耐熱性のある固体電解質を採用したら、冷却機構に占める体積や重量を減らすことができます。

液漏れしない

全固体電池のデメリット

出力性能が低い
イオン伝導率は、固体よりも液体の方が高いのです。現在使用されている電池に液体の電解質が採用されているのはこのためです。

量産化が難しい
固体電解質で使用される材料のうち、硫黄系材料は不安定な物質であるため、製造プロセスにおいて安全性に配慮する必要性があります。
また、全固体電池そのものが開発段階であるので、量産化のプロセスが確率されておらず、コスト的にも実用化の段階にはきていません。

固体電解質に使われる材料

現在、固体電解質で使用されている材料はセラミックや金属といった無機材料が主流です。
現在開発が進められているのは、硫化物系材料と酸化物系材料です。

硫化物系材料

メリット
酸化物系と比べて高いイオン導電率を示す材料が多い

デメリット
大気中の酸素や水蒸気と反応しやすいため、不活性雰囲気下での作業が必要となる。

主な材料
ThioーLISICON型、Li10GeP2S12（LGPS）型、アルジロダイト型、Li7P3S11型、Li2SーP2S5に代表されるガラス、ガラスセラミック系が多い。

ご参考までに

出典：「電池ハンドブック」

酸化物系材料

メリット
科学的に安定しており、大気中での作業が可能である。

デメリット
硫化物系と比べると、ほとんどの材料系でイオン伝導率が低い。

主な材料
近年、ガーネット型構造の酸化物が比較的高いイオン伝導度を示すことが発見され注目されている。

出典：「電池ハンドブック」

まとめ

全固体電池に関する明細書を4件読んだのですが、たまたまなのか材料系に関するものでした。
日経ビジネスの記事によると、酸化物系全固体電池はFDK、硫化物系全固体電池は日立造船、トヨタ自動車が牽引しているとあります。メーカーごとに全固体電池の特徴を言えるほど明細書を読んでいないので、今日はここまでとします。
時間を見つけて残りの明細書を読んで、全固体電池の特許の解説をしていきますね。