サステナビリティ
プリンストン大学の固体電池技術がエネルギー貯蔵を変革する可能性
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究極のバッテリー
バッテリーが電気自動車（EV）のパワートレインの基盤となるにつれ、その性能と安全性は向上してきました。これまでのところ、リチウム電池のバリエーション、すなわちリチウムイオン（リチウム・ニッケル・マンガン NMC およびリチウム・ニッケル・コバルト・アルミニウム NCA）やリチウム・フェロス・リン酸（LFP）電池で実現されています。この変革的技術は、正当に2019年ノーベル化学賞を受賞しました（リチウムイオン発明の歴史についてはリンクをご参照ください）。
これまで、これらのバッテリーは極めて高いエネルギー密度のおかげで、バッテリー市場を支配し続けると期待されていました。
出典: S&P Global
しかしながら、従来のリチウムイオンバッテリーが保持できるエネルギーには限界があります。そのため、研究者は他の選択肢を検討しており、その中で最も実用化が期待されているのが固体電池です。
固体電池は従来のリチウムイオンバッテリーよりも安全性が高く、エネルギー密度が高く、耐久性に優れると期待されています。しかし、コスト効率の良い大規模生産が信頼性をもって行うのは非常に困難であり、これが普及を遅らせています。
この状況は変わりつつあり、固体電池が失敗する原因に関する新たな知見が、プリンストン大学、パーデュー大学、ミシガン大学、そしてブルックヘブン国立研究所の研究者から提供されています。
彼らは最新の発見を、Advanced Energy Materials1 と ACS Energy Letters2 の2つの学術論文でそれぞれ、タイトル「リザーバーフリー固体電池におけるAg–C多孔質インターレイヤーのリチウム動態」および「リチウムリザーバーフリー固体電池におけるフィラメント誘発失敗」として発表しました。
また、アノードフリー電池に関するバッテリー科学の最先端を分析し、Nature Materials3 に「アノードフリー固体電池の電気化学機械学」というタイトルで掲載しました。
アノードフリー固体電池
固体電池の概念は、リチウムイオン電池の液体電解質を固体金属層に置き換えることです。電解質は重く容積が大きいため、これにより効率が大幅に向上します。
これにより安全性も向上します。電解質溶媒は通常可燃性であり、稀ではありますが壮大なバッテリーファイヤーを引き起こし、初期のEVに対する悪い評判の原因となってきました。
研究者は最近、バッテリーの半分を完全に取り除くという別のアプローチも検討しています。バッテリーは正極と負極から構成され、それぞれが異なる電荷を持ちます。
アノードフリー電池はアノードの必要性を完全に省きます、
“代わりに、イオンは正極から直接バッテリーの反対側にある電流集電体へ流れます。イオンはその後、電流集電体自体に付着し、充電時に薄い金属層を形成します。”
現在のアノードフリー技術の分析において、プリンストン大学の研究者は、技術をさらに進展させる上での主な課題は化学反応よりも、充放電サイクルの機械的影響の理解が不十分であることだと指摘しています。
アノードフリー電池の充放電サイクルを支配するメカニズムは、主に固体–固体界面における電気化学機械的現象によって制御されており、従来のリチウム過剰電池と比較すると重要な機構的違いがあります。
固体電池の課題
従来のバッテリーでは、電極（アノードとカソード）への接続は比較的容易です。なぜなら電解質が液体形態であるためです。固体電池では、固体金属が電流集電体と完全に接触した状態を保つ必要があります。
もし接触が完全に均一でない場合、接触が良好な領域はホットスポットとなり、接触が不十分な領域は空隙を形成します。
なぜこのような現象が起こるのかを理解するためには、研究者はバッテリーの充放電中に起こる複雑なプロセスを完全に把握する必要があります。これは単なる化学現象だけでなく、時間とともに材料がわずかに形状を変える機械的現象でもあります。
最初の論文で, 彼らは圧力が固体金属の反応に重要な役割を果たすことを発見しました。
低圧問題
走査型電子顕微鏡により、圧力が上がるにつれてリチウムの表面接触が増加することが明らかになりました。つまり、圧力が低すぎると、表面の不規則性によって生じる不均一な接触を改善するには不十分であることを意味します。
出典: ACS Publication
最終的に、不均一なメッキは鋭い金属フィラメントの形成につながり、これらは小さな針のように固体電解質を貫通してバッテリーの短絡を引き起こす可能性があります。
高圧問題
高圧は均一なメッキと剥離を実現できるものの、魔法のような解決策ではありません。
研究者は、圧力により電解質と電流集電体が非常に強く押し付けられ、どちらかの微小な欠陥が増幅され、機械的応力が亀裂を生じさせるまでになったことを発見しました。
出典: ACS Publication
X線トモグラフィーを用いて、研究者は高圧下で形成されるこれらの亀裂をマッピングすることに成功しました。
スタック圧が2 MPaから10 MPaに増加すると、亀裂の総体積が拡大します。多くの亀裂が対向電極側まで伸び（図3b–eおよびS10）、単一のリチウムデンドライトが対向電極に到達すると短絡を引き起こす可能性があります。
出典: ACS Publication
総じて、十分に低い圧力でありながら効率的な接触を実現する最適点を見つけることが、バッテリー業界の最終目標となります。
“この分野の聖杯は、低圧でも固体接触を維持する方法を見つけることです。欠陥のない電解質を製造することは実質的に不可能です。これらのバッテリーの可能性を実現するには、接触問題を解決しなければなりません。”教授 Kelsey Hatzell – 機械・航空宇宙工学の准教授
より良いメッキ
より均一なメッキを実現することは、第2の論文で取り上げられ、プリンストン大学のKelsey Hatzell教授チームと他大学・研究所の協力者によって発表されました。
彼らは、電流集電体と電解質の間に薄いコーティング層を設けることでイオン輸送が改善されることを発見し、このコーティングの複数の設計をテストしました。
最終的に、最適な選択肢は炭素と銀ナノ粒子からなるインターレイヤーであることが判明しました。これらのインターレイヤー中の銀は、充放電時にイオンと合金を形成し、電流集電体からの均一なメッキと剥離を可能にしました。
しかし、銀粒子の製造方法の詳細は非常に重要です。200nm の大きなナノ粒子を使用すると、電流集電体上に細長く不均一な金属構造が形成され、容量が低下し、数回の充放電サイクルでバッテリーが最終的に故障します。
“実際にこれらのインターレイヤーで起こるプロセスを調査したグループはごく少数です。他の発見とともに、我々はこれらのシステムの安定性が金属の形態、すなわち電流集電体からのメッキと剥離に関連していることを示しました。”Se Hwan Park – ポストドクトラル研究員 プリンストン大学で
50nm の銀粒子ははるかに優れた性能を示し、より密度が高く均一な構造を形成し、バッテリーの安定性と出力を向上させました。
“これらの発見は、インターレイヤーの製造戦略に情報を提供できます。
銀粒子のサイズを縮小することで、インターレイヤー内の銀の利点のみを得られ、低圧でも良好な接触と均一なメッキを実現できる可能性があります。
Se Hwan Park – ポストドクトラル研究員 プリンストン大学で
より優れた固体電池の構築
長らく、固体電池の概念は実験室から工場へとスケール生産に移行するのに苦労してきました。
しかし現在、中国、韓国、日本などの国々が近い将来に固体電池を市場に投入する計画を進めており、状況は変わりつつあります。
- Samsung SDI（006400.KS）は2027年までに固体電池の大量生産を開始すると誓っています
- Hyundai（HYMTF）は2030年までの大量生産を検討しています
- Toyota 2028年の大量生産目標を掲げ, 更新された以前の2030年目標。
“研究から実社会への移行は数年で実現する課題です。現在、MUSIC（固体イオン導体の機械化学的理解）での取り組みが、次世代バッテリーの大規模展開を支える基盤となることを期待しています。”教授 Kelsey Hatzell – 機械・航空宇宙工学の准教授
先進バッテリー技術への投資
バッテリーは電化の潮流の中心に位置しており、これは化石燃料をエネルギー源から排除しようとする数兆ドル規模の大規模な取り組みです。
多くのブローカーを通じてバッテリー関連企業に投資することができ、securities.io では、米国、カナダ、オーストラリア、英国、その他多数の国々における最高のブローカーに関する推奨リストを掲載しています。
特定のバッテリー企業を選びたくない場合は、Amplify Lithium & Battery Technology ETF (BATT)、Global X の Lithium & Battery Tech ETF (LIT)、または WisdomTree Battery Solutions UCITS ETF (WT ) などのバッテリーETFを検討できます。これらは成長するバッテリー産業から利益を得るための、より分散されたエクスポージャーを提供します。
固体電池会社
QuantumScape
QS 価格チャート
2010年に設立されて以来、カリフォルニアのQuantumScapeは固体電池分野の有力スタートアップであり、早期にこの分野に参入したこと、そしてCATL（300750.SZ）やSamsung、LG Energy Solution（373220.KS）など、固体電池技術を追求する大手バッテリーメーカーからの独立性が特徴です。
出典: QuantumScape [securities_stock_price_tag symbol="QS" exchange="NASDAQ"]
QuantumScapeバッテリーのユニークな特徴は、当時画期的とされたアノードフリー設計です。これにより約15分の高速充電（10〜80％を45℃で）を実現し、セパレーターは不燃性・不燃焼性です。
出典: QuantumScape
この設計により、QuantumScapeのバッテリーはエネルギー密度と充電速度の面で独自の地位を築き、Tesla (TSLA ) （自社設計およびCATL製）などのリーダーを大きく上回ります。
出典: QuantumScape
しかしながら、これらの顕著な性能は生産拡大の苦闘により度々阻害されてきました。また、同社は資金を大量に消費せざるを得ず、既存投資家の持株希薄化と株価下落を招きました。
これは現在、2024年のPowerCoとの合意により変わりつつあります。PowerCoはVolkswagen Group のバッテリー部門で、QuantumScapeバッテリーの設計と大量生産のライセンス契約を結んでいます。
この非独占的ライセンス契約の下、PowerCoは年間最大40 GWhの電気自動車用バッテリーを製造でき、将来的に80 GWhへ拡大するオプションがあります。
QuantumScapeの生産急拡大は、Cobra、同社の次世代固体電池セパレーター装置に起因しているようです。これはセラミック製造の画期的技術です。
全体として、Cobraは2025年に生産に組み込まれ、QuantumScapeバッテリーを搭載した最初の完成EVは2026年に生産される見込みです。
出典: QuantumScape
これは同社にとって転換点となり得ます。創業から16年が経過し、興味深い知的財産を持つ有望なスタートアップから、世界最大級の自動車メーカーとの提携により収益が拡大する段階へと移行しています。
当面は株価の変動性が続くと予想されますが、製品開発のトンネルの先には光が見えてきています。
QuantumScapeの最新情報
研究参照：
1. Se Hwan Park, et al. (2025) リチウムリザーバーフリー固体電池におけるフィラメント誘発失敗. ACS Energy Letters. 2025年2月22日 https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsenergylett.5c00004
2. Se Hwan Park, et al. (2024). リザーバーフリー固体電池におけるAg–C多孔質インターレイヤーのリチウム動態. Advanced Energy Material. 2024年12月19日 https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.202405129
3. Stephanie Elizabeth Sandoval, et al. (2025). アノードフリー固体電池の電気化学機械学. Nature Materials. 2025年1月2日 https://www.nature.com/articles/s41563-024-02055-z
