エネルギー
新しいインターフェース戦略により固体電池のイオンの流れが向上
リチウムイオン電池は世界標準となりました。現在、最も普及し、広く使用されている電池であり、市場規模は約1兆円と推定されています。 65億ドル規模の製品検査を 2023インチ
しかし、もちろん、温度に対する敏感さ、安全性の懸念、寿命の制限など、欠点がないわけではありません。
リチウムイオン電池をより安全で強力にするために、液体電解質を固体電解質に置き換えて固体電池が作られており、その市場は 投影 41.6年から2024年の間に年平均成長率2032%で成長すると予想されています。
固体電池（SSB）への移行
バッテリーにおいて、電解質はイオンがデバイス内を移動して電力を生成することを可能にする材料です。
したがって、固体電解質を備えたバッテリーは全固体バッテリーであり、エネルギー密度が高く、充電が速く、温度耐性があり、使用時間が長く、安全性が向上します。
SSBは有望であるにもかかわらず、複雑な製造工程やデンドライト形成に伴う潜在的な安全性への懸念など、いくつかの課題に直面しています。また、界面剥離が発生する可能性があり、性能と寿命が制限される可能性があります。これらの制約が相まって、SSBの普及を妨げています。
これらの課題を克服するために、世界中の研究者や企業が技術の進歩に積極的に取り組んでいます。
例えば、サムスンSDIは ターゲット 独自の固体電解質とアノードレス技術により、エネルギー密度は900Wh/Lとなり、現行のバッテリーより40％向上しました。
中国の巨大企業CATL トヨタとBYDもSSB技術で大きな進歩を遂げており、前者はハイブリッド「凝縮状態電池」に取り組んでおり、後者は酸化物および硫化物ベースの固体電解質を研究しており、どちらもエネルギー密度500Wh/kgを目標としています。
EUでは、フォルクスワーゲンは QuantumScape (QS )同社のバッテリー部門であるPowerCoは、初期容量が年間40GWhで、航続距離が30%長く、超急速充電が可能な固体電池を大量生産するためのライセンス契約も獲得した。
日産は2030年以内に初の固体電池の量産を開始する計画で、LGはXNUMX年の商用化を目指している。一方、ソリッドパワーは フォード (F )、BMW、SKイノベーションと提携し、EV向け硫化物系固体電解質を中心とした全固体電池技術の実用化を加速する。
今月初め、ドイツの多国籍自動車メーカーであるメルセデス・ベンツ・グループAG（旧ダイムラー）は、 発表 リチウム金属SSBを搭載した初の路上走行車。試作SSBは昨年末、EQSに搭載されました。
同社によれば、EQSベースの車両のSSBにより走行距離が25％延びるという。
そのため、SSBの開発は進行中ではあるものの、実用化にはまだ数年かかる見込みです。一方、テキサス大学ダラス校の研究チームは、固体電池の性能を向上させる方法を発見しました。
SSBにおけるイオン伝導性の向上
掲載 ACS Energy Lettersに掲載された最新の研究では、 イオン伝導性の向上の発見1 固体電解質を別の固体と混合すると、
このイオン伝導性の向上は、界面における空間電荷層の形成によって引き起こされ、SSB用高速イオン伝導体の開発における新たな戦略を提供します。「空間電荷層」は、2つの固体電解質間に小さな粒子が混ざることで生じ、2つの材料の界面に電荷が蓄積されます。
別々の固体電解質材料が物理的に接触すると、その境界に層が形成されます。この境界では、各材料の化学ポテンシャルの差により、荷電粒子が蓄積されます。
この層は、荷電粒子やイオンが界面を横切って移動しやすくする経路を作り出すのに役立ちます。本研究の共同責任著者である、エリック・ジョンソン工学・コンピュータサイエンス学部の材料科学・工学助教授、ライスオ・スー博士は次のように述べています。
「レシピで 2 つの材料を混ぜて、予想外にどちらかの材料だけよりも良い結果が得られたと想像してみてください。」
彼が追加した：
「この効果により、イオンの動きがどちらの材料単独でも達成できる範囲を超えて促進されました」と彼は付け加えた。
蘇博士の研究は、充電式電池分野における再生可能エネルギーデバイス向けの革新的な材料開発に焦点を当てています。固体および液体の電解質、そして重要な反応が起こる電解質-電極界面に特別な関心を持つだけでなく、再生可能エネルギー機器内で起こる化学反応と電気化学反応を監視するための高度なツールの構築にも取り組んでいます。
「この発見は、イオンの動きを促進するように相互作用する材料を慎重に選択することで、より優れた固体電解質を設計する新たな方法を示唆しており、より高性能な固体電池につながる可能性があります。」
– スー博士
このプロジェクトは、30年の開始時に国防総省から2023万ドルの資金提供を受けたUTDの「商業化と国家安全保障を促進するための電池とエネルギー（BEACONS）」イニシアチブの一環として、新しい電池技術と製造プロセスの開発と商業化、重要な原材料の国内入手性の向上、および業界向けの優秀な労働者の育成を目的としています。
この研究の共同責任著者であり、材料科学および工学の教授であり、BEACONSのディレクターでもあるKyeongjae Cho博士は次のように述べている。
「固体電池技術は、ビーコンズセンターにおける次世代電池化学研究の一環であり、防衛用途のドローンの性能を向上させる高度な電池システムを可能にすることが期待されています。」
現在、消費者向け製品に使用されているリチウムイオン電池には主に液体電解質が含まれており、これは可燃性であるため、安全上の問題があります。
従来のリチウムイオン電池は理論上のエネルギー貯蔵限界に達しているが、スー氏によると、SSBは液体電解質を用いた電池の2倍以上の電力を発電・貯蔵できる可能性を秘めている。また、SSBは不燃性であるため、より安全でもある。
しかし、固体材料を通してイオンを移動させることは困難であり、固体電池の開発.
そこで研究者たちは、有望な2つの固体電解質（SSE）化合物の性能を研究しました。これには、塩化ジルコニウムリチウム（Li6ZrCl3）と塩化イットリウムリチウム（Li6YClXNUMX）が含まれます。
研究者たちは、これらの混合がイオン活性を高める理由について、ある理論を提唱した。「界面がイオン輸送のための独自のチャネルを形成したのです」とスー氏は述べた。
今後、研究者らは、界面の組成と構造がどのようにイオン伝導性の向上をもたらすかを研究し続ける予定です。
SSBにおけるデンドライト問題への取り組み
より高いエネルギー密度を持つ電池の必要性から、デンドライトという重大な問題に取り組む別の研究チームが誕生しました。当初、デンドライトは固体電解質を貫通できないと考えられていましたが、他の電池構造と同様に、全固体電池でもデンドライトは問題となります。
中国の複数の機関のエンジニアと材料科学者のチームが 発見2 陽極における金属疲労は、SSBが経年劣化する大きな原因の一つです。また、界面の劣化やデンドライトの成長にも寄与します。
研究チームは走査型電子顕微鏡とフェーズフィールドシミュレーションを使用して、リチウムSSBにおけるデンドライトの成長を研究しました。
研究チームは、充電および再充電中にリチウムの絶え間ない膨張と収縮が負極に金属疲労を引き起こし、デンドライトの成長を促進することを発見しました。より具体的には、絶え間ない膨張と収縮が負極に微小空隙や亀裂を発生させ、低密度であってもデンドライトの成長と劣化につながることが分かりました。
デンドライトとは何かと言うと、陽極の表面での化学反応によって形成される樹木のような構造です。
バッテリーのアノードは、充放電サイクル中にリチウムのめっきと剥離のプロセスを経ます。この可逆的なプロセスでは、バッテリーの通常のサイクル（充放電）動作中に、リチウムイオンがアノード（めっき）表面に析出し、剥離します（剥離）。
しかし、負極表面へのリチウムイオンの不均一な堆積は、より多くのリチウムイオンを引き付ける部位を形成する傾向があり、その結果、リチウムイオンの鎖が長くなります。そして、このツリー状の構造がバッテリーを貫通し、バッテリー構造を破壊して短絡を引き起こします。
SSBでは、リチウム金属と固体電解質の間に大きな接触面積があります。固体電解質に空隙が生じると、リチウム金属がすぐにそれを埋めてしまい、深刻なデンドライト形成や電解質を貫通する深い亀裂の伝播を引き起こします。
そこで、カリフォルニア州ローレンス・バークレー国立研究所の材料スタッフ科学者であるヘギョム・キム氏は、 公表3 この問題の解決策。
彼らの研究では、リチウムアノードフリー全固体電池（ASSB）におけるデンドライトの形成を防ぐために、集電体にスズ-炭素の二重緩衝層を用いることを詳細に説明しています。このSSB構造では、アノードを事前に構築するのではなく、最初の充電サイクル中にカソードからのリチウムイオンによって集電体上にアノードを形成することで、複雑さ、重量、コストを削減します。
サムスンの研究者による以前の論文では、銀と炭素の層をリチウム電池のバッファ層として使用し、非常に安定した均一なリチウムめっきおよび剥離サイクルを実現できる可能性が示されていました。
これがなぜ効果的であるかを研究した結果、キム氏のチームは、銀は非常に親石性が高く、リチウムの濃度が高くてもリチウムイオンが銀層の上に均一に並ぶため、銀の堆積が均一である限りリチウムメッキは非常に均質になることを発見しました。
しかし、ここでの炭素の役割を理解することが新たな研究の基礎となり、チームは高価な銀よりも効果的なスズを選択しました。
炭素の役割を解明するため、研究チームは複数の試験を設計し、4種類の異なる電池ハーフセルを使用しました。1つはスズ緩衝層付き、1つは緩衝層なし、1つは炭素緩衝層の上にスズを積層したもの、そしてもう1つはスズ緩衝層の上に炭素を積層したものです。
これらの層はステンレス鋼の集電体上に堆積され、スズの上に炭素を置いたバッファ層が最高の性能を示しました。
「スズは銀のように親石層として作用することがわかりました。そのため、スズの配置が重要になります。なぜなら、スズがメッキが行われる場所だからです。」
– キム
炭素層は疎石性であることが判明しました。つまり、リチウムイオンはこの層を通過しにくく、むしろ逆方向に移動しようとします。この炭素層を錫の上に配置することで、錫上に新たに開発されためっき層からのリチウムの移動が抑制され、デンドライトが電解液に浸透するのを阻止しました。
キム氏によると：
「単一の材料の固有の特性だけが重要なのではありません。それらをどのように組み合わせるかが非常に重要です。それによってバリア層の特性が大きく変化する可能性があるからです。」
チームは現在、より優れたパフォーマンスを備えた新しいバッファ層の開発に取り組んでおり、より長いサイクルでテストを行い、より実用的なシステムに移行しています。
空隙を除去して寿命を延ばす
SSB を現実世界のアプリケーションにさらに一歩近づけるもう一つの画期的な進歩は、マグネシウムなどの金属を少量アノードに加えるとバッテリーの性能が向上する理由を理解することによって達成されました。
これは頻繁に行われていることですが、これまでなぜそうなのかはわかっていませんでした。
そこでヒューストン大学の研究者たちは、オペランド走査型電子顕微鏡を使用してSSB内で起こっているすべての現象を観察し、SSBがなぜ故障するのか、そしてそのプロセスを遅らせるために何ができるのかを理解しようとした。
「この研究は、固体電池がなぜ故障するかという長年の謎を解明するものです」と、テキサス超伝導センターのヒュー・ロイ・アンド・リリー・クランツ・カレン電気・コンピュータ工学特別教授で主任研究員の責任著者ヤン・ヤオ氏は述べた。
彼らの 発見4ヤオ氏によると、この技術によりSSBはより低い圧力でも作動可能になる。これにより、かさばる外部ケーシングの必要性が軽減され、全体的な安全性が向上する可能性がある。
これまでの研究で、時間の経過とともにバッテリー内に微細な空隙が形成され、大きな隙間が生じてバッテリーの故障につながることが明らかになりました。複数の試験を実施した結果、マグネシウム（Mg）などの元素を少量添加するだけで、これらの隙間を埋め、バッテリーの機能を維持できることが明らかになりました。
「バッテリーの化学的性質を少し調整するだけで、特に低圧などの実用的な条件下での性能を劇的に向上させることができます。」
– 第一著者のLihong Zhao氏（ハワイ大学電気・コンピュータ工学科助教授）
SSB は動作中に損傷を受けないようにするためにスタックの外部圧力を高くする必要があるが、Zhao 氏が指摘したように、「バッテリーの化学的性質を慎重に調整することで、安定性を保つために必要な圧力を大幅に下げることができます。」
一方、ミズーリ大学の研究者らは、4次元走査透過型電子顕微鏡（XNUMXD STEM）を用いて、 評価する バッテリーの原子構造。
研究者らが発見したのは、固体電解質がカソードに触れると反応して厚さ100nmの相間層を形成し、それがリチウムイオンと電子の移動を妨げ、結果としてバッテリーの性能を制限するという点だった。
研究チームは現在、気相堆積法（oMLD）で形成された薄膜材料が、固体電解質とカソード材料の間で「反応を防ぐのに十分な薄さ」でありながら、「リチウムイオンの流れを妨げるほど厚くない」保護コーティングを提供できるかどうかをテストする予定です。
AIを活用したSSB研究開発の支援
自律的AI 産業を変革する人工知能研究者が、大量のリソースと時間のかかる SSB の研究開発の問題を解決するために、その支援を受けているのも当然です。
SSB の複雑な化学環境は実際には性能予測を困難にし、大規模な工業化を遅らせます。
で 研究5 先週、中国の蘇州大学と南京大学のエンジニアたちは、AIが効率的な材料選定と性能予測を可能にする可能性を指摘しました。機械学習（ML）アルゴリズムの最新の進歩は、広範な材料データベースのマイニングに活用でき、超小型衛星（SSB）に適した高性能材料の発見を加速できると指摘しました。
研究によると、AI技術の急速な発展は、SSBの主要な課題であるアノードインターフェース、カソードインターフェース、電解質の合成と発見、およびバッテリー製造に対処するための新しいアイデアを提供します。
スコルテックとAIRI研究所の研究者もニューラルネットワークを活用し、固体電解質とその保護コーティングに適した材料を特定できることを発見しました。
「グラフニューラルネットワークは、イオン移動度の高い新しい固体電池材料を特定でき、従来の量子化学手法よりも桁違いに高速に実行できることを実証しました」と筆頭著者のアルテム・デムビツキー氏は述べた。これにより、新しい電池材料の開発が加速する可能性がある。
研究者らは、機械学習を活用したアプローチを使用して、Li3AlF6 と Li2ZnCl4 の化合物が超イオンリチウム伝導体 Li10GeP2S12 の有望なコーティング材料であることを特定しました。
SSB技術への投資
固体電池技術を積極的に推進している企業への投資に関しては、 トヨタ (TM ) 確かな可能性を秘めています。
日本の自動車メーカーはパナソニックと提携し、 フォーム プライムプラネットエナジー＆ソリューションズという合弁会社を設立し、硫化物系固体電解質に注力しています。同社は来年生産を開始する予定ですが、量産開始は2030年以降になる見込みです。目標は航続距離1,000km、10分急速充電、年間発電容量9GWhです。
同社はまた、出光興産と提携し、2027～2028年までに硫化物系電解質を量産する予定だ。
トヨタ自動車 (TM )
トヨタの全固体電池との取り組みは、ハイブリッド車や電気自動車用の次世代電池の開発を目的とした電池研究部を設立した約20年前に始まった。
トヨタ自動車の市場パフォーマンスは好調で、株価は現在183.60ドルで取引されています。年初来では4.87%下落していますが、17月の安値からは255%以上上昇しています。昨年XNUMX月には、同社の株価はXNUMXドルを超え、最高値を更新していました。
(TM )
時価総額292.4億ドルを誇るトヨタのEPS（過去24.01ヶ月間）は7.71倍、PER（過去3.27ヶ月間）はXNUMX倍です。さらに、配当利回りはXNUMX%と非常に魅力的です。
同社の1年第2025四半期の財務結果 示されました 純売上高は6.5%増の314億ドル、営業利益は15%以上減少して31.3億ドルとなりました。この期間、トヨタは合計約9,362,000万81,000台を販売しました。四半期の販売台数がXNUMX万XNUMX台減少したにもかかわらず、トヨタは依然としてベストセラーブランドでした。
これはトヨタが10.8年に2024万台の自動車を販売し、世界一の自動車メーカーになることを目指した後のことだ。 トップセラー 5年連続で自動車メーカーに選ばれました。
トヨタ自動車株式会社（TM）の最新の株価ニュースと動向
ベスト 5 の固体電池銘柄のリストについては、ここをクリックしてください。
結論：固体電池の未来
全固体電池は、広く普及しているリチウム電池に比べて多くの利点を期待できます。安全性、エネルギー密度、寿命に優れている一方で、界面剥離やデンドライト形成といった課題が、依然として普及を阻んでいます。
ここで、特定の固体電解質を混合することで「空間電荷層」が形成され、イオン移動度が向上するという最新の発見は、有望な新たな方向性を示しています。こうしたブレークスルーと企業による継続的な実験により、SSBはついにモバイル機器やEVにおける実用化が実現可能となるでしょう。
固体電池の実現をさらに一歩前進させた画期的な技術について詳しくは、ここをクリックしてください。
参照された研究:
1. Wang, B., Limon, MSR, Zhou, Y., Cho, K., Ahmad, Z., & Su, L. (2025). 固体電解質における空間電荷によって誘起される1 + 1 > 2効果。 ACSエネルギー手紙、10（3）、1255 – 1257。 https://doi.org/10.1021/acsenergylett.4c03398
2. Wang, T., Chen, B., Liu, Y., Song, Z., Wang, Z., Chen, Y., Yu, Q., Wen, J., Dai, Y., Kang, Q., Pei, F., Xu, R., Luo, W., & Huang, Y. (2025). 固体電池におけるリチウム金属アノードの疲労． 科学、388（6744）、311 – 316。 https://doi.org/10.1126/science.adq6807
3. Avvaru, VS, Ogunfunmi, T., Jeong, S., Diallo, MS, Watt, J., Scott, MC, & Kim, H. (2025). 全固体電池におけるリチウムデンドライト成長を抑制するスズ–炭素二重緩衝層． ACSナノ、19（18）、17347 – 17356。 https://doi.org/10.1021/acsnano.4c16271
4. Zhao、L.、Feng、M.、Wu、C. ら オペランド走査型電子顕微鏡を用いたリチウム-固体電解質界面の進化の画像化。 Nat Commun 16、4283（2025） https://doi.org/10.1038/s41467-025-59567-8
5. 王 誠、劉 俊一、宋 暁 ら 人工知能により固体電池の材料スクリーニングと性能評価が強化されます。 ナノマイクロレット。 17、287（2025） https://doi.org/10.1007/s40820-025-01797-y
