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全固体電池とは何か? |首都大学東京教授 金村聖志 中編

今、主流の電池の一つとなっているリチウムイオン電池から、全固体電池へと開発が進んでいるお話を前回聞きました。

今回は、固体電池の特徴について、最先端の研究を踏まえながらお話をお聞きしたいと思います。

前回と同様、全固体電池を研究している金村先生にお話をうかがいました。

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金村聖志(かなむら・きよし)
首都大学東京大学院都市環境科学研究科 都市環境科学専攻 環境応用化学域教授。
1980年京都大学工学部工業化学科を卒業後、1987年京都大学工学博士を取得。1995年に京都大学大学院工学研究科物質エネルギー化学専攻助教授に就任。2002年、東京都立大学大学院工学研究科応用化学専攻教授に就任、2010年に首都大学東京大学院都市環境科学研究科 都市環境科学環 分子応用化学域教授。
2018年より、首都大学東京大学院都市環境科学研究科 都市環境科学専攻 環境応用化学域 教授を務めている。専門分野は、セラミックス化学、電気化学、エネルギー化学。

固体電池は、発火・破裂という事故をなくす救世主

――エネルギー密度を高くする時、技術的にむずかしいのはどういうことなのですか?

金村:
「エネルギー密度を高くするとは、つまり、小さな場所に大きなエネルギーを蓄えるということです。爆弾と同じです」

――爆弾ですか!

金村:
「そうです。爆弾は、化学エネルギーを小さな空間に貯め込んでおいて、それを一気に反応させています。

一方、電池も電気のエネルギーを小さな空間に貯め込むところまでは同じです。一気に反応しないようにコントロールされていますが、何かの拍子に爆発的な反応を起こすこともある」

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――スマートフォンやバッテリーの爆発事故が時々、ニュースになります。

金村:
「技術的には、電池の爆発防止策は確立されています。

たとえば現在は、スマートフォン自体の最大電流値が小さくなるように設計されている。またバッテリーが熱を持ち始めると自動的に電源が切れるようになっている。

なぜ温度の管理が重要かというと、電解質が有機物だからです。これが過熱して、発火・破裂するのです。

電解質に有機物を用いているかぎり、免れえない問題だというわけです。

とはいえ、現在の技術水準で、スマートフォンの電池が破裂するなどということは、本当はありえないのです。『なぜ今さら燃えるの?』というレベルです」

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――発火・破裂しない電解液はないんでしょうか?

金村:
「いくつかあります。そのうちのひとつが『固体電解質』です」

固体電池の実現はビジネスモデルを変える

――ようやく「固体」にたどりつきました。

金村:
「固体電解質は燃えません。だから安全に使うことができます。

また、リチウムイオン電池は有機物を使っているので、蒸発しないよう厳重にラミネート加工を施さなければなりません。

一方、固体電池は外気に触れさせないようにするだけでいいなどといった、製造工程上の利点も数多くあります」

――全体の生産コストにも好影響を与えそうですね。

金村:
「はい。有機物を電解質に用いると4ボルトの電圧が得られるのですが、固体電解質では、それより高い5ボルトをかけても大丈夫なものが多いんです。

ということは、性能がより安定し、製品寿命が延びるのではないかと言われています。

電池がすぐに劣化してしまうようでは、電気自動車などには使えませんからね」

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――いじわるな質問なんですが、研究者側はより寿命の長い電池を開発しようと意図する一方で、メーカー側は買替サイクルが長くなることを嫌う、という対立構造が生まれたりしないのでしょうか。

金村:
「それはビジネスモデルを転換すれば解決します。

つまり、電池の寿命が延びるほど、利益が出るしくみを作ればいいんです」

――たとえば?

金村:
「電池を販売するのではなく貸すという方法です。電池(エネルギー)のシェアリングですね。

そうすれば研究の成果を生かすことができ、企業ももうかります」

――いろいろな分野で、「これからはシェアリングの時代だ」という声を聞きます。

金村:
「現在の状態はもったいないですよ。

自動車の稼働率なんて1割です。10日に1日しか乗らない。

それなのに放置しておくのですから。だから電池はもとより、電気自動車を丸ごとシェアリングすればいい。そうすればもうひとつ利点が生まれます。

それは適切な管理ができるということです。管理が行き届けば、電池の寿命をさらに延ばすことができ、安全性も高まります。

メンテナンスをユーザー任せにすると、電池だけでなく電池を制御する回路に支障が出てもわからない。

実際、米国のテスラ社の電気自動車にその異常が起き、電池から出火する事故が起きました」

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――ひとつ疑問なのは、電気自動車や自動運転など、自動車自体がハイテク化していった時に、事故の責任を誰が負うのかという点です。

たとえば電池から出火した場合、責任は自動車メーカーにあるのか、電池メーカーにあるのか、電装メーカーにあるのか?

金村:
「たしかに問題ですね。まだ法律も整備されていないと思います。

そうしたリスクを低減するためにも、発火や破裂がほとんどない固体電池が必要とされているという側面はあると思います」

もっとも早く実現できそうなのは小さな固体電池

――ちょっと話が逸れてしまいましたね。

細かな質問なのですが、「固体電池」と言う場合と「全固体電池」と言う場合があります。これらはどう違うのでしょうか?

金村:
「どちらも同じです。ただし、固体電池の早期実用化を目指すために、固体電池の中に少しだけ難燃性の液体を混ぜることがある。

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これも固体電池なのですが、あえて区別して『擬似固体電池』とすることもあります。

『全固体電池』を謳う場合には、そうした液体も一切混ぜていないことを強調しているのでしょう」

――発展途上の技術というわけですね。

金村:
「もっとも、小さな固体電池は、現在でも液体を混ぜずに作ることができます。アップルウォッチのようなウェアラブル端末などに応用できるでしょう。

商品化にはまだクリアしなければならない課題がありますが、TDKや村田製作所など多くのメーカーが開発を進めており、すでに標準化についての話し合いが始まっているくらいです(※取材後の2019年6月に、村田製作所がウェアラブル端末向けの全固体電池の2020年からの量産を発表した)。

ただし、電池のサイズが大きくなるとむずかしいのです」

――なぜサイズが関係するのですか?

金村:
「固体電池は、電解質がセラミック製のシートになっているからです。

シートの厚みは髪の毛ほど(50㎛)。厚みをもたせてしまうと、シート自体が抵抗になってしまうので薄くしなければならないのです。

しかし、薄いシートなので破損しやすい。自動車などに積まなければならないのに、すぐに破損するようでは使い物になりません」

――大きな固体電池はまだ時間がかかりそうなんですね?

金村:
「ただし現在、大きな固体電池に見せかける、『バイポーラ技術』の可能性が追求されています。

自動車のバッテリーなどは、小さな電池を直列につないで高い電圧を得ています。この小さな電池の単位を『セル』と言います。

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今までは、セル同士をつなげるには、外側から導線でむすぶ方法しかありませんでした。

しかし固体電池では、セルを重ね合せれば、直列につなげる方法と同じ効果が得られることがわかりました。

これが『バイポーラ(双極性)技術』です。セルを100層にしても、『1つの電池のように』扱えるというわけです。そのうえ、破損する可能性も格段に低下します」

――扱いやすくなれば用途が広がります。

金村:
「たしかに大きな固体電池に関しては、コスト面や安全面などまだ課題は多くあります。

一方、小さな固体電池は、エネルギー密度が高いうえに安全性も確保されています。また、大きな固体電池は材料コストが高くつきますが、小さな固体電池の場合、材料コストはほとんど問題になりません。

製造コストのほうが高くつくぐらいです。

このような理由から、小さな固体電池のほうが普及は早いだろうと思います」

全固体電池に注目が集まる最大の理由が、発火や破裂などの事故が減り、そのことによって大きなビジネスチャンスが様々なジャンルで生まれるからだ、ということを知りました。

次回は、日本において全固体電池の研究がどのぐらい進んでいるのかについて、お聞きしたいと思います(つづく)。

電池って何だか知ってますか? |首都大学東京教授 金村聖志 前編
全固体電池とは何か? |首都大学東京教授 金村聖志 中編
電池の未来について話しましょう |首都大学東京教授 金村聖志 後編

取材・文/鈴木俊之、写真/荻原美津雄、取材・編集/設楽幸生(FOUND編集部)

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