全固体電池 （SSB） 固体電池は、従来のリチウムイオン電池を大幅に改善した次世代のエネルギー貯蔵ソリューションとして登場しています。エネルギー密度の向上、安全性の向上、寿命の延長が期待される固体電池は、電気自動車 (EV) から航空宇宙、医療機器まで、幅広い業界から注目を集めています。本稿では、固体電池の基礎、現在の市場状況、技術的課題、展望、さまざまな業界への影響について考察します。
固体電池とは何ですか?
リチウムイオン電池は長寿命と高エネルギー密度のため輸送用電源として広く使用されていますが、近年、リチウムイオン電池に関連する安全事故が多発しています。
これらの事故の主な原因は、従来の液体リチウムイオン電池が電解質として有機溶媒を使用していることです。最も一般的な電解質には可燃性の高い物質が含まれており、火災の危険、自然発火、さらには爆発につながる可能性があります。これらの安全上の懸念に対処するために、研究者や業界の専門家は、液体電解質を不燃性の固体電解質に置き換えてバッテリーの安全性を大幅に向上させた固体電池に注目しました。
リチウムイオン電池は、電解質に基づいて、液体リチウム電池と固体電池の 2 つの主要なタイプに分類できます。固体電池には、半固体、準固体、全固体電池が含まれます。半固体電池は、液体電池と全固体電池の間の過渡段階として機能します。半固体電池の商用化により、緩衝期間が提供され、全固体電池サプライ チェーンの早期開発が可能になります。技術の進歩に伴い、ハイブリッド固体液体電池は徐々に液体電解質の含有量を減らし、最終的に全固体電池技術を実現します。
リチウムイオン電池のカテゴリー
世界標準が存在する一方で、地域によって優先されるコードやポリシーが異なり、国際的なバッテリー取引に遅れが生じることがよくあります。
1. 液体リチウム電池
固体電解質を含まず、液体電解質のみが含まれています。液体リチウムイオン電池と液体金属リチウム電池の両方が含まれます。
2. ゲル電解質リチウム電池
電解質がゲル状である液体リチウムイオン電池のサブタイプ。固体電解質は含まれていません。
3. 半固体電池
固体電解質と液体電解質の両方を含み、液体電解質の割合が高くなります。通常、液体電解質はバッテリー全体の構成の 5%～10% を占めます。
4. 準固体電池
固体電解質の割合が高く、液体電解質も少量含まれています。液体電解質の含有量は通常 0%～5% です。
5. 固体・液体ハイブリッドリチウム電池
液体電解質と固体電解質の両方が混合されています。半固体電池と準固体電池がこのカテゴリに分類されます。
6. 全固体電池
完全に固体電極と固体電解質で構成されています。いかなる温度でも液体電解質は含まれません。「全固体電解質リチウム電池」と呼ばれることもあります。充電可能な場合は、「全固体リチウム二次電池」に分類されます。
固体電池は、従来の液体ベースの電池に比べて構造がシンプルです。固体電解質はリチウムイオンを伝導するだけでなく、セパレーターとしても機能します。完全固体電池では、液体電解質、電解質塩、セパレーター、ポリフッ化ビニリデン (PVDF) などの接着材料は不要で、電池製造プロセスが大幅に簡素化されます。
固体電池はどのように機能するのでしょうか？
固体電池の動作原理は、液体電池の原理に似ています。充電中、リチウムイオンはカソードの活性物質の結晶格子から抽出され、固体電解質を通ってアノードに移動します。一方、電子は外部回路を通ってアノードに移動します。アノードでは、リチウムイオンと電子が再結合してリチウム原子を形成し、アノード材料と合金化するか、アノード材料内に埋め込まれます。放電プロセスは充電とまったく逆で、電子は外部回路を通って流れ、電子機器に電力を供給します。
液体リチウム電池、半固体電池、固体電池の特性の比較。
| プロパティ | 液体リチウムイオン電池 | 半固体電池 | 全固体電池 |
| 電解質の種類 | 液体電解質 | 液体電解質 + 固体電解質 | 固体電解質（高分子固体電解質、酸化物固体電解質、硫化物固体電解質等を含む） |
| アノード材料 | グラファイト陽極またはシリコンカーボン陽極 | グラファイト陽極またはシリコンカーボン陽極 | グラファイト陽極、シリコンカーボン陽極、または金属リチウム |
| セパレータ | セパレーター付き | 固体電解質材料でコーティングされたセパレーター付き | 区切りなし |
| 安全性能 | 安全性が比較的低い | 安全性の向上 | 高い安全性 |
| エネルギー密度 | 最大300Wh/kg | 最大400Wh/kg | 最大500Wh/kg以上 |
固体電池の利点は何ですか?
全固体電池はより安全
従来のリチウムイオン電池は、可燃性の有機電解質を使用しており、過充電や内部短絡が発生した場合、過熱、自己発火、さらには爆発などのリスクがあります。一方、ほとんどの固体電解質は耐熱性と不燃性を備えているため、電池の発火や爆発のリスクは大幅に低減されます。しかし、熱力学的観点から安全な電池は存在しないことに留意することが重要です。電池の安全性は、電解質や電極材料、製造時の品質管理、バッテリー管理システム（BMS）など、様々な要因に左右されます。固体電解質は根本的な安全性を大幅に向上させますが、製造時の品質管理とBMSの有効性は依然として重要です。
より高いエネルギー密度を持つ固体電池
半固体電池は、従来の液体電池に比べてエネルギー密度が高くなります。Weilan New EnergyやGuoxuan High-Techなどの企業は、エネルギー密度が360Wh/kgの半固体電池を開発しました。固体電解質は一般的に電気化学ウィンドウが広く、より高電圧のカソード材料（高ニッケルカソードやニッケルマンガンスピネルカソードなど）との互換性があります。さらに、固体電池は電圧が高く安全性が高いため、バッテリー管理システム（BMS）が簡素化され、電気自動車（EV）で使用されるバッテリーシステムのエネルギー密度がさらに向上します。
固体電池は超高速充電時間を実現
最近の研究によると、全固体電池は現在の市販電池技術に比べて最大6倍の速度で充電できます。ただし、この数値は開発者が新技術をどのように進化させ、最適化するかによって変化します。非常に高速な充電速度を備えた全固体電池の試作品はすでに存在しますが、エネルギー密度、寿命、安全性といった他の重要な性能パラメータが大幅に低下してしまうことがよくあります。最適な代替案を決定するには、この利点と、コスト面を含め、電池に求められる他の重要な特性とのバランスを取る必要があります。
これまでのところ、液体電解質は高温で劣化しますが、固体電解質は熱に対してより優れた性能を発揮します。この固有の利点は、固体電池が、通常、発熱量が多い急速充電サイクル中に、より高い性能を維持できることを示唆しています。
さらに、研究者たちは、安全性や耐久性を犠牲にすることなく充電速度をさらに最適化するために、固体電解質のイオン伝導性を高めることに取り組んでいます。
固体電池はより柔軟なグループ化設計を可能にする
メーカーは、固体電池を内部直列構成でグループ化できます。セル内で電池の電極を直列に接続することにより、この設計では単一の電池の電圧が上昇し、直列接続された複数のセルの電圧レベルと一致します。この内部直列設計により、追加のパッケージングの必要性が減り、グループ化プロセスの効率が向上します。
固体電池は電気自動車のバッテリー技術を進歩させる可能性がある
EV バッテリー システムには、安全性とエネルギー密度以外にも、長いサイクル寿命、広い動作温度範囲、圧縮や振動に対する耐性など、多くの機能が求められます。固体バッテリーは、次の方法でこれらの要求に対応できます。
- 高エネルギー密度: 高エネルギー密度化合物や硫黄ベースの材料をカソードとして使用することができます。
- 大容量エネルギー密度: 高密度の薄層電解質と高密度のカソードを採用できます。
- 長いサイクル寿命: 複合電極や柔軟性のあるゲル状インターフェースなどの技術により、アノードとカソードの体積膨張を制御し、安定したインターフェース接触を維持することで、サイクル寿命を向上させることができます。
- 広い温度範囲： 超イオン伝導体、固体液体ハイブリッド、高度な熱管理技術により、バッテリーは -70°C から 150°C の範囲の温度で機能できるようになります。
- 圧縮耐性の向上: 粉末化しないリチウム金属複合電極と非酸化性、不燃性の固体電解質により、耐穿刺性が向上する可能性があります。
- 優れた耐振動性: 柔軟な素材や衝撃吸収システムを組み込むことで、振動耐性が向上する可能性があります。
- コスト削減と大量生産： エネルギー密度とサイクル寿命を向上させることで、固体電池は入手しやすい原材料を利用できるようになり、製造が簡素化されます。電極層と電解質層の処理が容易になり、セルの生産が迅速化されます。
電池アプリケーションの基本要件と固体電池の可能なソリューションのアイデア
| 性能要件 | 固体電池のソリューションの可能性 |
| 高い重量エネルギー密度 | 高エネルギー密度の埋め込み化合物、硫黄ベースの材料、または空気ベースのカソードを使用します。 |
| 高い体積エネルギー密度 | 高密度の薄層電解質技術と高密度の埋め込み複合カソードを活用します。 |
| 長いサイクル寿命 | 複合電極、柔軟な材料、非晶質構造、またはゲル状のインターフェースを使用して、電極の体積膨張を制御し、安定したインターフェース接触を維持します。 |
| 最小限の音量変化 | 複合電極などのボリュームの変化に対応するためのバッファリング メカニズムを実装します。 |
| 広い動作温度範囲（-70～150°C） | 超イオン伝導体、固体液体ハイブリッド電解質、高度な熱管理ソリューションを使用します。 |
| 高出力能力 | 高レート対応の電極を設計し、ポリマーまたは無秩序な層構造を組み込み、固体と液体の界面を最適化し、薄膜技術による高イオン伝導性の複合材料を使用します。 |
| 圧縮と穿刺に対する耐性 | 粉砕しにくいリチウム金属複合電極と、非酸化性、不燃性、非爆発性の固体電解質を使用します。 |
| 耐振性 | 柔軟な素材や内蔵の衝撃吸収システムを統合します。 |
| 過充電保護 | 互換性のあるカソード材料とともに、広い電気化学的安定性ウィンドウを持つ電解質を使用します。 |
| 過放電保護 | 安定性の高いアノードおよびカソード材料を選択します。 |
| 短絡抵抗 | バッテリーセル内に内蔵ヒューズと熱保護メカニズムを実装します。 |
| 内部短絡なし | リチウムデンドライトの成長を抑制し、穴が開くのを防ぐメカニズムを開発します。 |
| 高いエネルギー効率 | 電極、電解質、インターフェースの界面抵抗を最小限に抑え、カソードの電気化学的分極と拡散分極を低減します。 |
| 低い自己放電率 | リチウムデンドライトの形成を防ぎ、継続的な界面反応を回避します。 |
| 低コストと大量生産の実現可能性 | エネルギー密度とサイクル寿命を向上させてコストを削減し、入手しやすい原材料を使用し、電極シートと電解質層/膜の加工が容易になるようにし、セル製造を合理化して生産を迅速化します。 |
費用： 半固体電池セルのコストは、大規模生産時には 0.5729 RMB/Wh になると予測されており、これは液体電池セルの 0.5766 RMB/Wh よりもわずかに低くなります。半固体電池のコンポーネントは従来の材料で作られているため、液体電池よりも安価ですが、製造時の環境管理要件が厳しいため、生産コストはわずかに高くなります。
コスト比較: 半固体電池と液体電池
| バッテリタイプ | セルBOMコスト（CNY/Wh） | セパレータ/固体電解質フィルムコスト比 | 電解液/固化剤のコスト比率 | 総（フィルム＋電解液）コスト比率 | 総コスト（フィルム＋電解液）（CNY/Wh） |
| 従来の液体電池（三元系＋炭素） | 0.5766 | 7.65% | 12.20% | 19.85% | 0.1145 |
| 半固体電池（三元系＋炭素系） | 0.5729 | 12.32% | 7.02% | 19.34% | 0.1108 |
市販の固体電池はありますか?
固体電池はまだ開発段階ですが、いくつかの企業が商業化に向けて大きな進歩を遂げています。現在、固体電池の用途のほとんどは、大量生産製品ではなく、プロトタイプや小規模生産に限られています。しかし、業界のリーダー企業も新興企業も、有望な進歩を遂げています。
2025年「中国全固体電池産学研協同イノベーションプラットフォーム」年次会議および第2回中国全固体電池イノベーション開発サミットフォーラムが15月16日からXNUMX日まで北京で開催されました。フォーラムには多数の業界専門家や企業代表者が集まり、全固体電池技術の最新の進歩と展望について議論しました。
中国第一汽車工場（FAW）の主任科学者であり、FAW研究開発研究所（科学技術革新管理部門）のハイエンド車両統合制御国家重点実験室の所長である王徳平氏が基調講演を行い、FAWが2014年から車両のニーズに焦点を当てて全固体電池の研究に取り組んでいることを明らかにした。FAWは2027年に全固体電池の小規模な応用を開始する予定である。
欧陽明高院士の業界展望
院士欧陽明高研究ステーションは、全固体電池の量産は2030年に始まり、パイロット生産は2027年には開始されると予測している。業界全体の生産高は100年までに14億人民元（約2030億ドル）を超えると予想されている。
BYDの全固体電池計画
BYDは2027年までに硫化物ベースの全固体電池の小規模生産を開始することを目指しており、2030年までに主流の電気自動車に組み込む計画だ。
CATLの全固体電池の進歩
CATL（寧徳時代新能源科技有限公司）の主任科学者である呉凱氏は以前、同社の全固体電池技術は現在4段階中10段階にあると述べていた。CATLの目標は、7年までに小規模生産を可能にする8～2027段階に到達することだ。
EVE Energyの2段階戦略
EVE Energy は、全固体電池の開発に向けて 2 段階の戦略を概説しました。
2026年: プロセスのブレークスルーを達成する
2028年：完全な技術革新を達成し、高エネルギー密度400Wh/kgの全固体電池を発売
ハイテク化と長安汽車の全固体電池計画
ハイテク化：2027年に固体電池の小規模車両テストを開始し、2030年までに量産化を達成する計画。
長安汽車：2030年までに液体、半固体、固体電池を含むXNUMX種類の自社開発電池セルの導入を目指す。
大手自動車メーカーや電池メーカーが固体電池の研究開発を加速させており、2027年は小規模生産にとって極めて重要な年となり、2030年には大規模商業化の始まりとなるでしょう。これらの開発により、EVの性能、安全性、エネルギー密度が向上し、次世代の電池技術への道が開かれます。
全固体電池の4つの主な課題
技術的な課題
固体電解質の性能最適化
- イオン伝導性が不十分:
現在の固体電解質のイオン伝導率は、特に室温では液体電解質よりも一般的に低くなっています。その結果、充電および放電速度が遅くなり、バッテリーの電力性能に影響を及ぼし、電気自動車の急速充電や急加速などの高出力アプリケーションの要求を満たすことが難しくなります。たとえば、酸化物ベースの固体電解質は一般的に伝導率が低いため、高性能バッテリーへの応用が制限されます。
- 安定性の問題:
一部の固体電解質は、バッテリーの動作中に構造変化や分解を起こし、長期安定性やサイクル寿命に影響を与える可能性があります。たとえば、硫化物ベースの固体電解質は空気に非常に敏感で、水分や酸素と反応して有毒な硫化水素ガスを生成する可能性があります。これにより、製造と保管が複雑になるだけでなく、安全性の懸念も生じます。
- インターフェースの課題:
固体電池の最大の課題の 1 つは、電極と固体電解質の界面接触が悪いことです。固体電解質は硬いため、電極と電解質の接触面積が比較的小さく、界面抵抗が高くなります。これにより、充放電効率が低下し、サイクル中に界面ストレスが発生し、剥離や分離を引き起こし、最終的に電池の性能と寿命が低下します。
電極材料の適合性
- 電極材料の適合性
固体電池では、正極材料は固体電解質と高い互換性を持ち、高い比容量と優れたレート性能も備えていなければなりません。しかし、一般的に使用される正極材料は、固体電解質と組み合わせると化学反応や構造劣化を起こし、電池の性能に悪影響を及ぼす可能性があります。
- 陽極材料:
シリコンベースのアノードは理論容量が非常に高いため、固体電池に最適です。ただし、シリコンは充電および放電中に体積が大幅に膨張（最大 300%）するため、電極の亀裂や構造的破損を引き起こし、電池のサイクル寿命が短くなる可能性があります。
リチウム金属アノードはさらに高いエネルギー密度を提供しますが、リチウムデンドライトの形成に直面しており、これが固体電解質を貫通して短絡を引き起こし、重大な安全上のリスクを引き起こす可能性があります。
製造プロセスの課題
固体電解質膜の製造高品質で均一、かつ厚さが正確に制御された固体電解質膜を製造することは、固体電池の製造において重要なステップです。ゾルゲル法、マグネトロンスパッタリング法、コールドプレス法などの現在の製造方法は、手順が複雑、コストが高い、生産効率が低いなどの課題があり、大量生産に向けたスケールアップが困難です。
バッテリー組み立て工程: 固体電池の組み立ては、酸素のない乾燥した環境で行わなければならないため、生産設備とプロセスに極めて高い要求が課せられます。従来のリチウムイオン電池の組み立て設備と技術は、固体電池の製造に直接適用することはできず、大幅な変更とプロセスの最適化が必要となり、その結果、生産コストと複雑さが増大します。
連続高密度化技術電極層と固体電解質層の連続的な緻密化は、電池性能と生産効率の両方を向上させるために不可欠です。しかし、現在の技術では、均一かつ欠陥のない緻密化を実現する上で依然として課題があり、これが固体電池製造ラインの歩留まりと効率に影響を与えるボトルネックとなっています。
コストの課題
原材料費の高騰固体電池に使用される固体電解質や高性能電極材料などの材料は、従来のリチウムイオン電池に比べて製造コストが高くなります。例:
- 硫化物ベースの固体電解質は高価な原材料と複雑な合成プロセスを必要とするため、コストが比較的高くなります。
- リチウム金属アノードは製造コストがかなり高く、リチウム資源の供給が限られているため、大規模な導入がさらに制限される可能性があります。
設備と生産コストが高い: 全固体電池の製造工程は従来のリチウムイオン電池とは大きく異なるため、新たな製造設備や専用製造ラインの開発が必要となり、設備投資額が大幅に増加します。また、乾燥・無酸素の生産環境を維持するために、メーカーは専用の補助装置や設備も設置する必要があり、全体的な生産コストがさらに上昇します。
産業チェーン調整の課題
未発達の産業チェーン: 固体電池業界はまだ初期段階にあり、上流企業と下流企業間の効果的な連携が不足しています。例えば、
- 固体電解質材料サプライヤーと電池メーカー間のコミュニケーションと協力が不十分な場合、生産品質と性能の要件を満たさない材料が生成されます。
- 製造設備サプライヤーとバッテリーメーカー間の技術統合が弱いため、生産設備の開発と最適化が妨げられ、産業の進歩が遅れています。
基準と規制の欠如: 現在、固体電池技術には確立された業界標準と規制がないため、製品の品質評価、性能試験の実施、安全性認証の確保が困難になっています。このギャップは、固体電池の大規模な商業化と広範な市場導入を妨げています。
固体電池は、従来のリチウムイオン電池よりも優れた安全性、性能、効率性を備えており、エネルギー貯蔵の将来に大きな期待が寄せられています。課題は残っていますが、材料、製造、コスト削減の継続的な進歩により、この革新的な技術は商業化に近づいています。業界の主要企業が研究開発に多額の投資を行っていることから、固体電池は今後 10 年以内に電気自動車、医療機器、高性能電子機器の状況を一変させるでしょう。
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