エネルギー
研究者が本質に注力する中、固体電池の研究は継続中
スマートフォン、電動工具、電気自動車（EV）で使用されている固体電池は、電解質の使用方法がリチウムイオン電池と異なります。リチウムイオン電池が液体電解質を使用するのに対し、固体電池は固体電解質を使用します。
リチウムイオン電池では、正極と負極を分離するためにセパレーターが存在します。固体電池では、固体電解質がセパレーターの役割も果たします。
これらは単なる区別点に過ぎませんが、科学技術コミュニティは、固体構造による安定性の向上と安全性の向上を期待して固体電池を開発しました。電解質が損傷しても形状を保つため、研究は継続されています。
固体電池はエネルギー密度が高く、爆発や火災のリスクがほとんどありません。安全部品を必要としないため、活性材料を挿入できるスペースが増え、バッテリー容量が向上します。エネルギー密度の向上により、バッテリーの必要量が低く抑えられ、モジュールおよびパックに最適なEVバッテリーシステムが実現します。
これらの利点により、市場の専門家は、固体電池がEVを内燃機関車（ICEV）と競争させ、最終的にレースで先行するゲームチェンジャーになると考えています。しかし、研究者が固体電池をさらに有用にする方法を探求することは止まりません。そのような研究の一つで、科学者はLi2CO3に耐性を持つガーネット型固体電解質により実現された、高エネルギー密度の超薄型リチウム金属固体電池のケースを提案しています。
これらは技術的すぎるように聞こえるかもしれませんが、次のセクションで研究が何を達成しようとしているのかを詳しく掘り下げます！
高い安定性とエネルギー密度を備えた超薄型リチウム金属固体電池プラットフォームの実現
POSTECH（浦項工科大学）材料科学工学部のカン・ビョンウ教授とキム・アビン博士は、高い安定性とエネルギー密度を備えた超薄型リチウム金属固体電池プラットフォームを実現する固体電解質を開発しました。
この画期的な成果は、固体電池が直面する最も一般的な懸念事項の一つを解決することで得られました。その問題は何で、どのように解決できたのでしょうか？以下で詳しく見ていきましょう！
LLZO の懸念
固体電池に使用されるゲーメット型固体電解質（Li7La3Zr2O12、通称 LLZO）は高いイオン伝導性を持ちます。同時に、空気にさらされると表面に汚染層（Li2CO3）を形成しやすく、非常に反応性が高いです。この層は、セル構造における抵抗性バリアの形成や、電解質と反応物の接触・界面特性の低下など、さまざまな欠点や障壁をもたらします。
この障壁に取り組む際、外部的な対策ではなく本質的な要素に焦点を当てることで逆転させました。研究者は、LLZO の表面と内部特性を同時に向上させ、汚染層の形成を防止できる空気取扱い可能な LLZO（AH-LLZO）技術を開発しました。
彼らは、材料の表面と内部の両方に新しい疎水性化合物（Li-Al-O）を導入することで目標を達成しました。この化合物は、層が空気中の水分とだけ反応するようにし、汚染が内部に広がるのを防ぎます。
接触性と濡れ性が向上したこの層は、ヒトの髪の毛の約10分の1の厚さという超薄型リチウム固体電池の開発にもつながりました。
なぜこの研究は画期的と考えられるのか？
この結果により、超薄型リチウム金属層を作製できるようになり、固体電池におけるアノードとカソードの容量比が約0.176という極めて小さい値となります。
この実験は、使用するリチウム金属の量を大幅に削減でき、バッテリー全体の重量と容積を減らし、エネルギー密度を著しく向上させます。
実用化すれば、特別な取り扱いや施設を必要とせずに空気中での保管が可能になります。プロセス全体の簡素化に加えて、このイノベーションは、実用性の高いガーネット型固体電解質の製造につながります。
「高い安全性と高エネルギー密度を実現できる超薄型リチウム金属固体電池の研究を継続していきます。」
この研究は、本質に焦点を当てることで製品の欠点を強みへと転換できることを示しています。企業や商業団体は、将来の自動車にとって固体電池をより適合させ有益にするための研究とリソースに投資しています。以下のセクションでは、そうした企業とそのイノベーションを取り上げます。
#1. Solid Power
この分野で卓越した取り組みを行っている企業の一つが Solid Power です。その全固体電池は高エネルギー、向上した安全性、長寿命、そして大幅なコストメリットを提供します。
高含有シリコンやリチウム金属といった高容量電極の使用を可能にし、反応性が高く揮発性の液体・ゲル成分を除去することで安全基準を向上させます。
その結果、極めて高温でも耐え、効率的に動作するバッテリーが実現しています。同社は、製品がリチウムイオンパックに比べて15〜35％のコスト優位性を持つと主張しています。
Solid Power の全固体電池ポートフォリオは、シリコン EV セル、リチウム金属セル、コンバージョンリアクションセルの3つの主要製品で構成されています。
シリコン EV セル
高含有シリコンアノードを採用しており、高い充電速度と低温性能を実現します。Solid Power の独自の硫化物系固体電解質がこのソリューションを支え、業界標準で商業的に成熟した NMC カソードを使用しています。
リチウム金属
この製品は高エネルギーのリチウム金属アノードに由来しています。シリコン EV セルの 390 Wh/kg に対し、リチウム金属セルは 440 Wh/kg と、容量がわずかに向上しています。
コンバージョンリアクションセル
Solid Power のポートフォリオ全体の中で、最大性能容量は 560 Wh/kg です。その独自性は、超低コストかつ高比エネルギーの変換型カソードにあります。
米国コロラド州に拠点を置く Solid Power は、バッテリーの変革的な能力を強く信じています。同社は、全固体電池セルが OEM の量産とコスト要件を満たすと考えています。
(SLDP )
最新の投資デックでは、同社（Nasdaq: SLDP）は、これまでに7億米ドルを調達した唯一の上場純粋型真の固体電池開発企業であると主張しています。同社は10年以上にわたる研究開発投資の歴史に支えられ、約50件の国際特許ファミリーと、BMW、Ford、SK On の3つの業界トップクラスの開発パートナーを有しています。
#2. QuantumScape
この分野のもう一つの大手である QuantumScape は、「固体リチウム金属電池技術でエネルギー貯蔵を変革する」ことをミッションと宣言しています。また、「より高いエネルギー密度、より速い充電、そして安全性の向上」—POSTECH の研究が焦点を当てている3つの基本的な重要特性 — を実現すると主張しています。
QuantumScape の最も注目すべき特徴の一つは、業界初のアノードレスセル設計を開発したことで、材料コストの削減と製造の簡素化を実現しながら高エネルギー密度を実現しています。
QuantumScape の技術プラットフォームは、さまざまなカソード化学を活用して、現在のニッケル・マンガン・コバルト（NMC）およびリン酸鉄リチウム（LFP）系バッテリーセルのエネルギー密度を大幅に向上させます。これにより、多様なエネルギー貯蔵用途に最適化され、将来のカソード化学の進歩を活用できる体制が整っています。
同社のもう一つの独自の強みは、セラミック製のセパレーター素材です。これにより高い導電性、リチウム金属への安定性、デンドライト形成への抵抗、低い界面インピーダンスが実現します。セラミックを使用する利点は、燃焼性がなく、炭化水素を含む従来のポリマーセパレーターよりも安全性が向上する点です。
QuantumScape は、固体リチウム金属セルで 800〜1,000 Wh/L を目指しています。
(SLDP )
財務面では、QuantumScape（NYSE: QS）は20億米ドル以上の資本投資に支えられています。同社は300件以上の特許と特許出願を保有しています。
固体電池の未来
固体電池はもはや未来の技術ではなく、すでに未来が到来しています。最先端の研究機関からの多くの先端的な研究が日々その実現を推進しています。
例えば、2024年1月にハーバード工学応用科学大学（SEAS）の研究者らは、リチウム金属を用いた固体電池を発表し、6,000回の充放電サイクルを提供できることを示しました—市場の他のすべてのパウチ電池セルを大幅に上回ります。
この研究は、記事冒頭で紹介したものと類似しており、ハーバードの研究者もアノード表面にデンドライトが形成されるというよく知られた問題に取り組んでいます。
Solid Power や QuantumScape など、ここまで取り上げた専門企業に加えて、この分野には大手企業も参入しています。例えば、2023年10月にトヨタと出光興産は、EV 用固体電池を開発することを発表しました。
この協業を推進したビジョンは、控えめに言っても野心的でした。プレスリリースでは次のように述べられています。
「この協業を通じて、全固体電池に関する材料開発などの分野で世界をリードする両社は、2027〜28年に全固体電池の商業化に成功することを目指しています—2023年6月のトヨタテクニカルワークショップで発表された通り—その後、フルスケールでの量産へと進む予定です。」
この分野で大きく飛躍しようとした別の企業はホンダです。同社は長らくこの領域で活動しています。2024年1月、ホンダの関係者は、重量を50％削減することを目指す、すなわち重量当たりのエネルギー密度を50％向上させることを目標としていると述べました。
ホンダのCEO、三部俊宏氏は、もしホンダが30,000ドルの車を作りたいのであれば、バッテリーコストが下がり、航続距離が伸び、冷却システムも簡素化できるため、固体電池を検討できると説明しました。
しかし、固体電池をより頑丈で安全にするための世界的な取り組みは、依然としていくつかの課題に直面しています。目的は、安全性、安定性、エネルギー性能、電気化学的蓄電効率など、基本的特性を最適化することです。一方で、長期的な性能の持続性、経済的実現性、特定の出力基準の正確な達成といった障壁があります。
さらに掘り下げると、現在の固体電池（SSB）では、アノード、カソード、電解質の材料劣化によりサイクル性能が不十分であることも課題に含まれます。米国自動車研究会（U.S. Council for Automotive Research）は、80％の放電深度で1000サイクル、10年の寿命をバッテリー寿命目標として設定しています。
固体電池がこの目標を達成しにくい要因は、空間電荷層の形成による界面反応速度の低下と高インピーダンス、そしてデンドライトの成長による短絡や安全リスクです。
しかし、これらの課題に対する解決策はあります。メーカーは高エネルギー密度の固体電池（SSB）とその改良に注力すべきです。これらの製品は高い熱安定性を持ち、200℃を超える温度でも安全性の懸念がなく、液体電解質が70℃を超えると危険になるのとは対照的です。固体電解質は漏れのない動作を提供し、液体電解質よりも高い電気化学的安定性をもたらします。
固体電解質は、容量減衰や内部短絡を減少させることができるため、より望ましいです。高いイオン伝導性と低い電子伝導性により、車両の充電速度も向上します。
QuantumScape の推定によれば、現在の主流リチウムイオンセル（エネルギー密度約700 Wh/L）で1回の充電で約350マイルの走行が可能な車両でも、QuantumScape の固体電池を使用すれば、走行距離は400〜500マイルになる可能性があります。
総じて、固体電池は将来のモビリティに不可欠です。効率的で安全、コスト効果が高く、長寿命であるべきです。
