全個体電池とは何か？仕組みや種類などわかりやすく解説！

はじめに

全固体電池（ぜんこたいでんち）は、陽極と陰極の間を固体電解質が担う次世代電池の一つであり、高い安全性と高エネルギー密度を両立する技術として注目されています。現在のリチウムイオン電池の持つ課題である発火リスクやエネルギー密度の限界を克服し、電気自動車（EV）や再生可能エネルギーの蓄電システムにおける革新的な技術とされています。近年の技術進歩により、実用化が進んでおり、特に自動車メーカーや電子機器メーカーが大規模な投資を行い、開発競争が激化しています。

全固体電池の注目度が高まる理由

従来のリチウムイオン電池は、高いエネルギー密度を持つものの、液体電解質の可燃性が原因で発火や熱暴走のリスクがあるため、安全性の向上が課題とされてきました。また、エネルギー密度の向上には限界があり、電気自動車の航続距離を伸ばすためのブレイクスルーが求められていました。

一方、全固体電池は、電解質を固体化することで発火リスクを大幅に低減し、より高いエネルギー密度を実現できる可能性があります。さらに、高速充電が可能であり、長寿命化のメリットも期待されています。これらの特性が、次世代電池としての注目度を高めているのです。

本記事では、全固体電池の基礎から最新の研究動向までを詳しく解説します。まず、その基本的な仕組みを理解し、次に歴史を振り返ります。その後、全固体電池の種類や特徴を紹介し、現在の課題やリスクについても詳述します。最後に、最新の研究動向や将来の展望について触れ、全固体電池がもたらす未来の可能性を探ります。

全固体電池はまだ発展途上の技術ではありますが、近い将来、現在のリチウムイオン電池に代わる存在として、多くの分野で採用される可能性を秘めています。本記事を通じて、その技術的な魅力や今後の課題について、深く理解できるように解説していきます。

全固体電池の仕組み

全固体電池の最大の特徴は、その固体電解質にあります。従来のリチウムイオン電池では、電解質として有機溶媒を使用しており、これが発火や液漏れの原因となることがありました。一方、全固体電池では液体電解質を使用せず、電解質が完全に固体で構成されているため、発火リスクを大幅に低減することが可能です。

また、全固体電池は従来のリチウムイオン電池と同様に、正極・負極・電解質の3つの主要な要素で構成されていますが、その内部構造にはいくつかの種類があります。特に、バルク型と薄膜型の2種類が開発されており、それぞれ特性が異なります。

基本構造

全固体電池の構造は、基本的に従来のリチウムイオン電池と似ていますが、電解質が固体化されている点が大きな違いです。具体的な構造は以下の通りです：

• 正極：リチウム遷移金属酸化物（LiCoO₂、LiFePO₄など）を使用
• 負極：グラファイト、リチウム金属、シリコン負極などを使用
• 固体電解質：酸化物系、硫化物系、ポリマー系のいずれか
• セパレーター：固体電解質が同時にセパレーターの役割を果たす

このように、従来のリチウムイオン電池と同じような構成要素を持ちながら、固体電解質を導入することで、高い安全性とエネルギー密度の向上を実現しています。

イオンの移動メカニズム

全固体電池では、リチウムイオンは固体電解質を介して移動します。充電時には正極から負極へリチウムイオンが移動し、放電時にはその逆の動きが起こります。電子の流れが外部回路を通過することで電流が発生し、電力を供給します。

固体電解質は電子を通さず、リチウムイオンのみを移動させるため、短絡や副反応のリスクが低減されるというメリットがあります。しかし、固体内でのイオン伝導性を向上させることが技術的な課題となっています。

バルク型と薄膜型の違い

全固体電池には、主にバルク型と薄膜型の2種類があり、それぞれ特性が異なります。

バルク型全固体電池

バルク型全固体電池は、厚い電極と固体電解質をプレス成形する方式で作られます。この方式は、高いエネルギー密度を実現しやすく、EV（電気自動車）や大型蓄電池向けの開発が進められています。

特徴として以下の点が挙げられます：

• 高容量のエネルギーを蓄えられるため、EVの航続距離向上に貢献
• 大型の電池セルを作成しやすく、産業用蓄電システムにも適用可能
• セラミック製の固体電解質を使用することが多く、機械的な強度が高い

一方で、固体電解質の成形が難しく、製造コストや加工技術の課題が残っています。特に、電極と電解質の界面抵抗を低減する技術が求められています。

薄膜型全固体電池

薄膜型全固体電池は、スパッタ法や真空蒸着法を用いて、ナノメートル～マイクロメートル単位の薄い膜状の電解質を形成する方式です。

この方式の特徴として以下の点が挙げられます：

• コンパクトな設計が可能であり、スマートフォンやウェアラブル機器など小型電子機器に適用
• 充放電の高速化が期待され、医療機器やセンサー用途にも最適
• イオン伝導率が高く、サイクル寿命が長い

薄膜型は特に耐久性が高く、数万回の充放電にも耐えられることから、小型デバイス向けとして実用化が進められています。ただし、バルク型と比較すると、エネルギー密度が低く、大型のバッテリーには適していません。

全固体電池の優位性

全固体電池は、以下のような従来のリチウムイオン電池にはないメリットを提供します：

• 発火リスクが低い：固体電解質は不燃性であり、安全性が向上
• 高エネルギー密度：金属リチウム負極の利用により、理論上のエネルギー密度が向上
• 長寿命：電解質が分解しにくく、劣化しにくい
• 急速充電が可能：イオン伝導率が高い材料を使用することで、充電時間の短縮が期待

このように、全固体電池は従来のリチウムイオン電池と比べて優れた安全性と高性能を備えており、EVや再生可能エネルギー分野での活躍が期待されています。

全固体電池の歴史

全固体電池の技術は、長い時間をかけて進化してきました。その起源は19世紀にまでさかのぼり、20世紀にはさまざまな研究が行われましたが、本格的な実用化が進んだのは21世紀に入ってからです。特に2010年代以降の材料開発の進展により、全固体電池の商業化が加速しています。

初期研究と発展

全固体電池の研究は、19世紀の電気化学の発展とともに始まりました。1830年代には、マイケル・ファラデーが固体電解質を用いた電池の可能性を示唆しました。しかし、この時代には実用的な材料が存在せず、あくまで理論的な概念にとどまりました。

20世紀後半になると、銀イオンを用いた固体電解質が開発されました。これは一部の電気化学デバイスで利用されましたが、リチウムイオン電池のような高エネルギー密度の電池には適さず、広く普及することはありませんでした。

近年の進展

21世紀に入ると、リチウムイオン電池の安全性やエネルギー密度の限界が明らかになり、新しい電池技術の必要性が高まりました。特に2010年代に入ると、全固体電池の研究が急速に進展しました。

2011年：超イオン伝導体の発見

2011年、東京工業大学の研究グループが画期的な発見をしました。彼らは「Li₁₀GeP₂S₁₂（超イオン伝導体）」を発見し、これにより固体電解質のイオン伝導性が飛躍的に向上しました。この発見が全固体電池の実用化を加速させる大きなきっかけとなりました。

2017年：初の商用全固体電池

2017年、TDKが世界初のSMD（表面実装）用全固体電池「CeraCharge」を発表しました。これは、小型の電子機器向けに設計された全固体電池であり、全固体電池が初めて実用化された例となりました。

2020年代：EV用全固体電池の開発競争

2020年代に入ると、全固体電池はEV（電気自動車）向けに大きな注目を集めるようになりました。トヨタ、日産、BMWなどの自動車メーカーが実用化を目指して開発を進めています。

• 2020年：トヨタが全固体電池を搭載した試作車の走行試験を実施
• 2021年：日産が栃木工場に全固体電池のパイロット生産ラインを設置
• 2022年：BMWが全固体電池を搭載したEV試作車の開発を発表
• 2023年：ホンダとサムスンSDIが全固体電池の量産技術開発に着手

このように、近年の技術革新によって、全固体電池は次世代のエネルギー技術として現実味を帯びてきています。今後の研究と量産技術の進展により、実用化がさらに加速することが期待されています。

全固体電池の種類

全固体電池は、使用する固体電解質の種類によっていくつかのタイプに分類されます。電解質の種類によって特性や用途が異なり、それぞれの技術が進化を続けています。また、半固体電池との違いも重要なポイントです。

電解質の種類

全固体電池の性能を決定づける要素の一つが電解質の種類です。現在、主に以下の3種類の電解質が研究・実用化されています。

酸化物系電解質

酸化物系電解質は、安定性が高く、化学的・熱的に優れた特性を持つのが特徴です。特に以下の点でメリットがあります。

• 電気化学的安定性が高く、長寿命
• 既存の製造技術と親和性が高く、大量生産に適している

代表的な材料にはLi₇La₃Zr₂O₁₂（LLZO）やLi₃PO₄があり、これらは小型電子機器や一部の産業用途に向けた実用化が進んでいます。

しかし、酸化物系電解質には電極との接触抵抗が高いという課題があり、充放電時の電池性能の低下が指摘されています。このため、電極との密着性を向上させる新たな加工技術が求められています。

硫化物系電解質

硫化物系電解質は、室温でも高いイオン伝導性を持つことで注目されています。酸化物系よりもリチウムイオンの移動が速く、次世代EV（電気自動車）用のバッテリーとして期待されています。

代表的な材料としては以下のものがあります。

• Li₁₀GeP₂S₁₂（LGPS）：2011年に東京工業大学が発見した高イオン伝導性の硫化物電解質
• アルジロダイト型（Li₆PS₅X, X=Cl, Br, I）：柔軟性があり、加工しやすい

硫化物系の最大のメリットは、従来のリチウムイオン電池と同等、またはそれ以上のイオン伝導率を実現できる点です。特にEV分野では、高エネルギー密度と急速充電性能の両立が期待されています。

ただし、硫化物系は空気中の水分と反応して有毒な硫化水素を発生する可能性があるため、製造工程や使用環境での安全対策が必要です。

ハライド系電解質

ハライド系電解質は、最近注目されている次世代の固体電解質の一つであり、以下の特徴を持っています。

• 高いイオン伝導率を持ち、硫化物系と同等の性能が期待される
• 化学的安定性が高く、酸化物系よりも電極との相性が良い

代表的な材料として、Li₃InCl₆、Li₃YCl₆などが研究されています。これらは、硫化物系と酸化物系の長所を併せ持つ可能性があり、今後の研究が進めば実用化が期待される分野です。

半固体電池との違い

全固体電池とよく比較される技術として半固体電池があります。これは、完全に固体化されていないが、従来のリチウムイオン電池よりも安全性が高い電池です。

業界では、電解質の液体比率によって以下のように分類されています。

• 液体比率 15%〜5%：半固体電池
• 液体比率 5%以下：固体電池
• 液体比率 0%：全固体電池

半固体電池は、完全な全固体電池に比べて生産しやすく、コスト面でも優位なため、一部のメーカーでは中間技術として採用が進んでいます。しかし、完全な全固体電池と比べると安全性やエネルギー密度に課題が残るため、用途に応じた選択が求められます。

全固体電池は今後の蓄電技術の主流となる可能性が高く、どの電解質が主流になるかは、今後の技術進展と市場の需要に依存しています。

全固体電池の特徴

全固体電池は、従来のリチウムイオン電池と比較してさまざまな点で優れた性能を持つ次世代電池技術です。特に、高エネルギー密度、高い安全性、急速充電対応、長寿命といった特性が、EV（電気自動車）や再生可能エネルギー向け蓄電システムにおいて重要視されています。

高エネルギー密度

全固体電池は、理論上リチウムイオン電池の約4倍のエネルギー密度を実現可能です。

• 負極に金属リチウムを使用できるため、従来のグラファイト負極よりも圧倒的に高いエネルギー密度を持つ。
• 正極材料として高電位の酸化物や硫化物を採用できるため、電位差を最大限活用できる。
• 液体電解質を排除することで、副反応によるエネルギー損失を最小化できる。

この特性により、EVの航続距離が飛躍的に向上し、次世代航空機やドローンのバッテリー技術としても注目されています。

高い安全性

全固体電池は、従来のリチウムイオン電池で問題となる発火リスクを大幅に低減しています。

• 液体電解質を使用せず、電解質が固体のため、電池内部でのショートや電解液の揮発による発火リスクがない。
• 従来のリチウムイオン電池では、高温環境下での熱暴走が発生する可能性があったが、全固体電池は200℃の耐熱試験や釘貫通試験にも合格するなど、安全性が証明されている。
• 電解質の安定性が高く、過充電・過放電時の化学反応による劣化が少ない。

特にEVや航空宇宙分野では、安全性の向上が求められており、全固体電池はこれらの課題を解決する次世代技術として期待されています。

急速充電対応

全固体電池は、従来のリチウムイオン電池と比較して超急速充電が可能な点が大きな利点です。

• 固体電解質は、高電圧での安定性が高いため、充電電圧を高めることができる。
• 内部抵抗が低く、リチウムイオンの移動が速いため、10分以内で80%以上の充電が可能。
• 一部のメーカーでは、10分の急速充電で航続距離1,200kmを実現するプロトタイプを発表している。

この特性により、EVの充電時間が従来のガソリン車の給油時間と同等レベルに短縮され、普及が加速すると考えられています。

長寿命

全固体電池は、極めて長寿命であり、50万km走行後でも95%の容量を維持する実証データが存在します。

• 電解質が固体のため、電極と電解質の化学反応による劣化が少ない。
• リチウムイオン二次電池で問題となる電解液の分解や電極材料の溶解が発生しない。
• サイクル寿命が長いため、EVや再生可能エネルギーの蓄電システムにおいて、長期間の安定運用が可能。

このため、EVメーカーは全固体電池を搭載した車両の耐用年数を大幅に向上させることができ、リチウムイオン電池よりも総コスト削減が可能になります。

全固体電池は、これらの優れた特性を持つことから、次世代のエネルギー技術として幅広い分野での活用が期待されています。

全固体電池の課題と研究動向

全固体電池は高いエネルギー密度や安全性、長寿命といったメリットを持つ一方で、技術的・経済的な課題が残されており、実用化に向けた研究開発が進められています。特に、コストや生産技術の確立が大きな課題となっており、各国の研究機関や企業が解決に取り組んでいます。

現状の課題

全固体電池の実用化にはいくつかの技術的課題があり、特に以下の点が重要視されています。

製造コストの高さ

全固体電池は既存のリチウムイオン電池と比べて製造プロセスが大きく異なり、新たな生産ラインの構築が必要となります。

• 固体電解質の製造には、精密な制御が必要であり、大量生産には高度な技術が求められる。
• 既存の電池工場では対応できず、新規設備投資が必要となるため、コストの削減が課題。
• 2020年代後半に向けて、各社が量産技術の確立を目指しており、コスト削減が期待されている。

イオン伝導率の向上

固体電解質のイオン伝導率が従来の液体電解質に比べて低いため、さらなる材料開発が必要です。

• 現在、酸化物系・硫化物系・ハライド系の固体電解質が研究されているが、いずれも課題が残る。
• 硫化物系は高いイオン伝導率を持つが、水分と反応しやすい性質があり、製造環境の厳密な管理が必要。
• 酸化物系は安定性が高いが、イオン伝導率が比較的低く、電極との接触抵抗が課題。

大規模生産の難しさ

現在、市場に出回っている全固体電池は、小型デバイス向けが中心であり、大型EV向けの量産には時間がかかると予測されています。

• 薄膜型全固体電池はすでに一部製品化されているが、バルク型のEV向け全固体電池の量産技術は確立されていない。
• EV向けの高容量バッテリーでは、固体電解質の均一性や密着性を確保するのが難しい。
• 現在の試作レベルではEVの搭載に十分な容量を持つものの、量産プロセスの確立が必要。

研究開発の進展

全固体電池の実用化を加速するため、各国の研究機関や企業が次世代技術の開発を進めています。

2023年：パナソニックの高耐久性全固体電池

パナソニックは10万回の充放電に耐えられる全固体電池を開発し、長寿命化への大きな一歩を踏み出しました。

• 従来のリチウムイオン電池では、充放電回数が数千回程度に制限されるが、全固体電池では飛躍的な向上が可能。
• 高耐久性が実証されれば、EVのバッテリー交換が不要となり、長期間の使用が可能になる。
• 2020年代後半に向けて、自動車メーカーと連携し、実用化を進める計画。

2024年：TDKの超高エネルギー密度全固体電池材料

TDKは従来の全固体電池と比べて100倍のエネルギー密度を持つ新材料を発表しました。

• 新しい固体電解質により、エネルギー密度が飛躍的に向上し、小型デバイスやEVの性能向上が期待される。
• ウェアラブルデバイスや航空宇宙産業など、高エネルギー密度を求める分野での活用が進む。
• 2025年度中の出荷を目標に、量産技術の確立を進めている。

全固体電池の研究は加速しており、2025年以降はEV向けの本格的な量産が始まる見込みです。特に、自動車メーカーや電池メーカーが次世代の生産技術を確立することで、コスト削減と性能向上が同時に実現する可能性があります。

• トヨタ、日産、BMWなどが2027年～2028年のEV搭載を目指している。
• 中国の広州汽車集団は2026年から全固体電池を搭載したEVの販売を計画。
• 全固体電池の実用化が進めば、EVの航続距離が現在の2～3倍になり、充電時間も大幅に短縮される。

全固体電池は今後のエネルギー社会において不可欠な技術となることが予想され、次世代の電動モビリティや再生可能エネルギー分野を支える重要な鍵となるでしょう。

全固体電池の将来展望

全固体電池は、電動モビリティやエネルギーインフラの変革を促進する次世代技術として注目されています。2026年以降、EV市場や再生可能エネルギーの蓄電システムへの本格導入が進むと予測されています。今後の技術進展により、現在のリチウムイオン電池を完全に代替する可能性もあります。

EV市場への影響

全固体電池は、EVの性能向上において極めて重要な役割を果たします。特に、航続距離の大幅な向上と急速充電技術の発展が期待されています。

自動車メーカーの市場投入計画

• 2026年：中国・日本・欧米の主要自動車メーカーが全固体電池搭載EVの市場投入を予定。
• 2027年：トヨタ、日産、BMWが次世代EV向け全固体電池の量産を開始予定。
• 2028年以降：全固体電池の本格量産が進み、EVの価格競争力が向上。

航続距離と充電時間の革新

• 全固体電池を搭載したEVの航続距離は1200kmを超える可能性が示唆されている。
• 従来のリチウムイオン電池では数十分以上必要だった充電時間が、全固体電池では3分で80%充電が可能になると期待されている。
• 高耐久性により、10年以上のバッテリー寿命が実現可能。

エネルギーインフラへの応用

全固体電池は、再生可能エネルギーの蓄電システムとしての活用も期待されています。太陽光発電や風力発電と組み合わせることで、安定した電力供給を実現し、脱炭素社会の実現を加速する可能性があります。

再生可能エネルギーとの連携

• 全固体電池の高い安全性と長寿命を活かし、家庭用・産業用蓄電池としての利用が拡大。
• 天候に左右されやすい再生可能エネルギーを大規模蓄電システムで安定化し、エネルギー供給を最適化。
• スマートグリッド技術と組み合わせ、電力需給のバランスを自動制御。

電力インフラの変革

• 送電網の負担を軽減し、地域分散型電源の実現に貢献。
• 遠隔地や災害時の電源確保に活用され、エネルギーの自給自足を可能にする。
• 電動航空機や船舶など、モビリティ分野への展開も進む。

全固体電池の本格的な普及には、コスト低減と大規模量産化の実現が不可欠です。

価格低減と生産技術の確立

• 製造コストを現在のリチウムイオン電池と同等まで下げることが課題。
• 固体電解質の大量生産技術を確立し、生産効率を向上させる必要がある。
• EVメーカーと電池メーカーの連携によるコスト削減策が進行中。

リチウムイオン電池の代替可能性

• 研究の進展次第では、2030年代に全固体電池がリチウムイオン電池を完全に置き換える可能性もある。
• ハライド系電解質の開発が進めば、さらなる性能向上が期待できる。
• 今後の技術革新により、より安価で高性能な全固体電池の開発が進むと考えられる。

全固体電池は、EVだけでなくエネルギーインフラの根幹を支える技術として発展していきます。今後の技術革新により、持続可能な社会の実現に大きく貢献することが期待されています。

まとめ

全固体電池は、従来のリチウムイオン電池と比較して高エネルギー密度・高安全性・長寿命・急速充電性能といった多くの利点を持つ次世代バッテリー技術です。特に、EVや再生可能エネルギーの蓄電システムにおいて、今後のエネルギーインフラを支える重要な技術として期待されています。

全固体電池の優れた特性

• 安全性の向上：液体電解質を使用しないため、発火リスクが大幅に低減。
• 高エネルギー密度：リチウムイオン電池の最大4倍のエネルギー密度を実現可能。
• 急速充電対応：3分以内で80%以上の充電が可能な技術が開発中。
• 長寿命：50万km以上のEV走行にも耐えうる耐久性を持つ。
• 環境負荷の低減：資源リスクを減らし、持続可能なエネルギー社会に貢献。

現在、トヨタ、日産、BMW、パナソニックなど多くの企業が全固体電池の開発を加速させています。2026年以降、全固体電池搭載のEVが市場に投入される予定であり、実用化が現実味を帯びてきました。しかし、まだ克服すべき課題も残されています。

• 製造コスト：生産プロセスが複雑で、コスト削減が必要。
• 大規模生産の課題：EV向けの量産技術が確立されるまで時間がかかる。
• イオン伝導率の向上：より高性能な固体電解質の開発が求められる。

持続可能なエネルギー社会への貢献

全固体電池の技術が確立されることで、EVの普及が加速し、カーボンニュートラル実現に向けた大きな一歩となります。また、太陽光発電や風力発電の蓄電システムとしても活用され、エネルギーの安定供給と持続可能な社会の実現に貢献することが期待されています。

今後、技術開発の進展と量産化が進めば、全固体電池がリチウムイオン電池を完全に代替する未来も見えてきます。持続可能な社会を実現するために、全固体電池の研究開発のさらなる進歩が求められています。

リチウムイオン電池とは何か？仕組みや種類、用途などわかりやすく解説！