エネルギー
バッテリーのブレークスルーが固体電池のバリエーションを現実に一歩近づける
固体電池がEV支配を実現する
リチウムイオン電池はEVバッテリーシステムの主流となっていますが、いくつかの制限があります。
そのうちの一つはエネルギー密度が十分でないこと、もう一つはデンドライトが電池を貫通し、電解質が発火する安全性の問題です。
ソース: Nobel Prize
これらの問題は、電解質を不要にしデンドライトのリスクを排除する固体電池で緩和できると期待されています。
トヨタは2027年までに固体電池の使用を予測しています。全体として、これはモビリティの未来に向けた有力な候補のようです。
しかし、ガーネット型固体電解質（Li7La3Zr2O12、別名LLZO）に関しては依然として課題が残ります。
カナダ・マクギル大学の4人の研究者が、エネルギー量を増加させる新しいLLZO設計を作成したと発表しました。彼らはその結果をCell Reports Physical Scienceに「4.8V全固体ガーネット系リチウム金属電池、安定インターフェース付き」というタイトルで掲載しました。
固体電解質
LLZO
固体電池は電解質を必要としないと言われることがありますが、これはリチウムイオン電池で一般的に使用される液体電解質を指す場合に技術的に正しい表現です。
しかし、もちろん電池はアノードとカソードをつなぐ何らかのブリッジが必要です。固体電解質（SE）には、セラミック、ポリマー、そして複合SE（CSE）の3種類があります。
複合固体電解質（CSE）は、ポリマーSEにLi7La3Zr2O12（LLZO）などのイオン伝導性無機フィラーを混合し、リチウムイオンの輸送を促進します。
この方法は高電圧での密集電池に理想的ですが、電極との接触不良により全体効率が低下するという欠点があります。
多孔質LLZO
研究者らが発見したのは、LLZOを従来の板状ではなく多孔質セラミック膜で作成できるということです。技術的には次のように表現されます：
ここでは、立方体Li6.1Al0.3La3Zr2O12多孔質フレームワークとポリフルオロエチレン（PVDF）を組み合わせた、三次元連続構造を持つ高導電性かつインターフェースに優しいガーネット系複合固体電解質（CSE）を設計しました。
視覚的には、顕微鏡レベルの小さな孔が多数存在する非常に複雑な3D構造に変換されます：
ソース: Cell
これによりリチウムイオンの表面接触が大幅に増加し、同時に電極への付着性も高まります。
ソース: Cell
より安定かつ耐久性のある電池
固体電池はリチウムイオン電池に比べて全体的にパワーとエネルギー密度がはるかに高いですが、容量低下なしに多数の充放電サイクルを耐えるように大量生産することが難しいとされています。
そこで研究者は、作成した電極インターフェースが期待通りに頑丈かどうかをテストしました。
200サイクル後、顕微鏡で観察した結果、割れや剥離などの劣化の痕跡は見られませんでした。
ソース: Cell
全体として、この電池プロトタイプは特にデンドライト形成に対して優れた耐性を示しています。
セラミック系CSEに基づくLi-Li対称セルは、0.1および0.5 mA cm⁻²で1,000 h安定サイクルが可能であり、Li金属およびLi⁺沈着（デンドライト抑制）に対する優れた電気化学的安定性を示します。
安全性の向上
デンドライト形成が大幅に抑制され、可燃性電解質が存在しないため、リチウム電池の安全性が大幅に向上すると期待されます。
セラミック系CSEの厚さがわずか125 μmであるため、非常にエネルギー密度の高い固体電池を実現する上で競争力があります。
また、改良されたLLZOの製造技術は希少金属や特殊装置、複雑な工程を必要としない点も注目すべきです。
ソース: Cell
したがって、安定性・安全性・エネルギー密度・製造容易性のすべての重要な側面で、固体電池の特性をさらに向上させる重要なステップとなります。
固体電池は勝ち残るのか？
固体電池が今後数年でEV電池の新標準になると断言できるわけではありません。
リチウムイオン電池も競争力を保てる可能性があります。これは設計の改善、特にナノポアがデンドライト形成を抑制することに関連しています。
特に、バッテリー製造の世界的リーダーであるCATLが開発したハニカム電池は、いくつかの固体電池と同等の安全性とエネルギー密度に到達する可能性があります。
総じて、バッテリー材料の微細・ナノスケールでの理解とナノポアの活用が、性能向上とデンドライトリスクの根本的な除去への道筋になると考えられます。
バッテリーテクノロジーへの投資
リチウム電池は、先進的な電子機器をどこでも持ち運べるようにしたり、電気自動車に電力を供給したりと、何度も世界を変えてきました。
今後も再生可能エネルギー100%の電力網を実現したり、十分なエネルギー密度が得られれば航空機の電動化を可能にしたりすることで、再び大きな変化をもたらす可能性があります。
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固体電池企業
(QS )
長らく固体電池を市場に投入する最初の企業の一つと期待されてきたQuantumScapeは、この技術の開発の最前線に立っています。
QuantumScapeの電池はリチウム金属、アノードフリー電池を採用しています。
アノードフリー電池は、イオンを電流集電体上に直接アルカリ金属として電気化学的に堆積させる方式です。これによりセル電圧が高くなり、セルコストが低減し、エネルギー密度が向上します。
ソース: QuantumScape
（我々は「アノードフリーナトリウム固体電池はリチウム・トライアングルへの依存を減らす可能性がある」という文脈でもアノードフリー電池の概念を議論しました）。
しかし、QuantumScapeはバッテリーの量産開始予定日を度々遅らせており、投資家の当初の熱意を冷ます結果となっています。
この状況は2023年と2024年のいくつかの重要な進展により変わりつつあるようです：
- 生産の一貫性と品質の向上。
- 内部マージンの縮小、薄型電流集電体、スリムフレームを含むパッケージ設計の改善。
- 自動車OEMパートナーへの高カソードローディングユニットセルの出荷。
- 自動車部門の見込み顧客を伴う、同社初の商用製品QSE-5の発売発表。
総じて、QuantumScapeは特にバッテリーの耐久性に関して、最も成熟した技術を持つ固体電池企業と言えるでしょう。
ソース: QuantumScape
フォルクスワーゲンとの提携
さらに重要なのは、同社が世界第2位の自動車メーカーであるフォルクスワーゲンとのパートナーシップを実現しつつあることです。
2024年7月、QuantumScapeはフォルクスワーゲンとQSE-5設計に基づくバッテリーセルの製造協業に関する合意に署名しました。
このライセンスにより、PowerCoは年間最大40 GWh、さらに追加で40 GWhまで拡張可能な自動車用バッテリーの製造・販売が可能になります。
これは非独占的でロイヤリティが発生するIPライセンスであり、QuantumScapeは他の潜在顧客にも販売を続けられます。
投資家の不安を和らげるために、PowerCo（フォルクスワーゲンのバッテリー子会社）から支払われる将来のロイヤリティに対して、初期ロイヤリティ費用として1億3000万ドルがクレジットされます。
これにより、同社は以前のガイダンスと比較してさらに18か月の資金余裕を得て、2028年まで事業を継続できる見通しです。
生産を本格化させ、安定した収益を計上するには十分な期間と言えるでしょう。
したがって、QuantumScapeの電池が十分に性能を発揮すれば、CATL、BYD、パナソニックといった大手企業が製造する電池と共に市場でのニッチを確保できるはずです。
フォルクスワーゲンが自社のQuantumScapeプロトタイプを広範にテストし、生産立ち上げを検証したことを考えると、今回の合意は同社技術への非常に堅固な裏付けと言えるでしょう。
ソース: QuantumScape
さらに、トヨタが2027年に固体電池の商業化を目指すという並行した期限は、多くの失敗を経た後、技術が成熟しつつあることを示唆しています。
