全固体電池、量産開始時期は予定通り？　でも、まだまだ課題も？【人とくるまのテクノロジー展2019】トヨタ編

今回出展された、全固体リチウムイオンバッテリーの試作モデル。

　EVの普及に欠かせないとされるのが、全固体電池だ。現在、乾電池からEVやPHEVなどの車載バッテリーまで、およそ電池と呼ばれるものはすべて電解液を用いている。そのため、常に液漏れの可能性がつきまとう。リチウムイオンバッテリーの場合、液漏れは特に危険だ。発火する危険性があるからである。さらに、電解液は劣化の問題もあるし、何より充電に時間がかかるという大きな弱点を抱えており、それがEVの改善すべき大きなポイントにそのままつながっている。

　しかしそれらの問題は、すべての電解液を固体の電解質に置き換えることで解決できる。全固体電池は現在のリチウムイオンバッテリーと比較して数分の1といわれるほどの短時間での充電が可能だ(急速充電を行っても安全度が高い)。さらに、小型軽量化、高容量化なども行いやすく、普及すればEVだけでなく生活全体が大きく変わるといわれている。そのため、世界中のさまざまな企業が全固体電池の開発に力を注ぎ、主導権を握ろうとしているのだ。

　トヨタも全固体電池の開発に力を入れている企業のひとつである。これまでも研究開発を進めてきたが、2019年1月22日にはパナソニックと手を組み、2020年末までに合弁会社を設立することも発表。合弁会社の事業範囲は、車載用角形リチウムイオンバッテリー、全固体電池、および次世代電池に関する研究・開発・生産技術・製造・調達・受注・管理としている。

2020年代前半には量産化を開始する予定

　トヨタは、全固体電池を2020年代前半、どんなに遅くても2025年までに量産を開始するという。東京工業大学大学院総合理工学研究科の菅野了次教授を中心に、高エネルギー加速研究機構(米村雅雄特別准教授)、J-PARCセンター、茨城県という共同研究チームにトヨタの加藤祐樹博士らも参画し、長く研究開発が進められている。2016年3月に、従来のリチウムイオンバッテリーの電解液よりもイオンの移動速度(伝導率)が2倍という固体電解質(図式1)を発見したことが発表された。液系よりも3倍以上の出力特性を有するという。

図式1。Li：リチウム、Si：シリコン(ケイ素)、P：リン、S：硫黄、Cl：塩素。室温27度で1cm当たり25ﾐﾘジーメンスという高いイオン伝導率を示した伝導体。

　電解液を使う既存の電池のリチウムイオンは、溶媒に囲まれて電解液内を正極から負極へと移動する。それに対して全固体電池では、リチウムイオンはそのまま固体電解質内を移動し、溶媒の吸脱着行程がない。そのため、界面にてリチウムイオンが素早く移動できる可能性があるのだという。

液系と全固体電池における、リチウムイオンの移動のイメージ。左の正極から右の負極へリチウムイオンが移動する際、液系では正極から放出されたリチウムイオンを溶媒分子が取り囲むというプロセスがある。それに対し、固体電解質ではリチウムイオンがそのまま負極へと向かう。トヨタブースに展示されていた説明パネル「全固体Liイオン電池」より。

　リチウムイオンの移動速度が速いことが何を表すかというと、同じ時間に移動できるリチウムイオンの量と、一定空間内で移動できるリチウムイオン量の増加につながる。結果として、「電池の小型化」が実現するのだ。さらに小型化は一定空間内に搭載可能な電池の増加につながるので、「電池の高容量化」というメリットも導かれるのである。

全固体リチウムイオン電池の量産化への課題とは？

　現在、量産化を実現するのに、大きく3つの課題がある。

●耐久性の向上(正負極/固体電解質界面の維持)
●製造方法の確立
●材料のコスト低減

　それぞれ量産化を実現するためには乗り越えるべき大きな課題だが、今回話を聞いた中では、特に製造方法の確立が難しいという。技術的に作れることと、それを製品として量産することはまた別なのである。

　ただし、「役者はそろいつつある状況」であり、早ければあと数年の後には全固体電池の販売が始まるかもしれない。トヨタとパナソニックの合弁会社では、トヨタ車専用に全固体電池を生産するのではなく、広く自動車メーカー全般に販売するとしている。