全個体電池とは - AI活用を考えるブログ

こんばんは。

本日は全個体電池について解説していただきました。

以下AI作成

全固体電池とは

電池を構成するすべての部品が固体である電池のことです。従来の電池では、電解質という液体が電極の間にあり、イオンが電解質を通って電気を流していました。しかし、液体電解質には発火や爆発の危険性があり、温度や圧力にも弱いという欠点がありました。

全固体電池では、電解質が固体になることで、安全性が高く、高温や低温にも耐えられるようになります。また、電解質が固体になることで、イオンの動きがよりスムーズになり、大容量や高出力の電池が可能になります。

全固体電池の種類

バルク型と薄膜型があります。バルク型は、電極や電解質の材料に粉体を使って、箱型の電池を作る方法です。蓄えられるエネルギーの量が多く、電気自動車などの大きな用途に向いています。薄膜型は、電極の上に薄い膜状の電解質を積み重ねる方法です。蓄えられるエネルギーの量は少ないですが、寿命が長く、製造しやすいというメリットがあります。小型で柔軟な形状にできるので、IoTデバイスなどの小さな用途に向いています。

全固体電池の電解質には、酸化物系と硫化物系があります。酸化物系は、セラミックと呼ばれる無機物質で、高温でイオンがよく動きます。しかし、低温ではイオンの動きが鈍くなり、電池の性能が低下します。硫化物系は、硫黄と金属の化合物で、低温でもイオンがよく動きます。しかし、水と反応して硫化水素という有毒なガスを発生させるという欠点があります。どちらの電解質も、イオンの動きを改善するために、さまざまな添加物やコーティングが研究されています。

他のバッテリー技術に比べて何が優れているのか。

従来の電池に比べて、以下のような優れた特徴があります。

安全性が高い：液体の電解質は発火や漏電の危険性がありますが、固体の電解質は可燃性のものがないため、安全に使用できます。
耐熱性が高い：液体の電解質は高温になると蒸発したり、低温になると凍ったりしますが、固体の電解質は温度変化に強く、幅広い温度で動作できます。
急速充電が可能：液体の電解質は急速充電すると発熱し、性能が低下したり、寿命が短くなったりしますが、固体の電解質は発熱が少なく、急速充電に耐えられます。
寿命が長い：液体の電解質は使用すると劣化していきますが、固体の電解質は劣化が少なく、長期間使用できます。
形状の自由度が高い：液体の電解質は液漏れを防ぐために厳密な構造が必要ですが、固体の電解質は液漏れの心配がないため、小型化や薄型化、曲げたり重ねたりすることができます。

全固体電池の課題

全個体電池は次世代の電池として期待されていますが、まだ実用化には課題があります。一つは、電解質と電極の接触面積を増やすことです。液体電解質の場合は、電極の表面に密着してイオンの移動を助けますが、固体電解質の場合は、電極との間に隙間ができやすく、内部抵抗が大きくなります。そのため、電解質と電極の接触を良くするために、ナノサイズの粒子や繊維を使ったり、電極の表面を凹凸にしたりするなどの工夫が必要です。もう一つは、製造コストを下げることです。全固体電池は、液体電池に比べて製造工程が複雑で、高温や真空などの特殊な環境が必要です。そのため、製造コストが高くなります。そのため、製造工程を簡素化したり、安価な材料を使ったりするなどの努力が必要です。

以上が、全固体電池についての解説です。全固体電池は、安全性や性能の面でリチウムイオン電池を超える可能性を秘めています。今後の研究や開発によって、さまざまな用途で活躍する電池になることが期待されます。

他の新しいバッテリー技術

新しいバッテリー技術はいくつかあります。例えば、以下のようなものが挙げられます。

ナトリウムイオン電池：リチウムの代わりにナトリウムを使うことで、コストを下げるとともに、リチウム資源の枯渇や安定供給の問題を回避する電池です。中国のCATLなどが実用化に向けて進めています。
リチウム硫黄電池：正極に硫黄、負極にリチウム金属を使うことで、理論的にはリチウムイオン電池の10倍以上のエネルギー密度を実現できる電池です。GSユアサなどが電動航空機向けに開発しています。
リチウム空気電池：正極に空気中の酸素、負極にリチウム金属を使うことで、非常に軽量で高エネルギー密度の電池を目指す電池です。物質・材料研究機構 (NIMS)などが研究しています。

これらの電池は、それぞれにメリットと課題を持っています。電池の性能や安全性、コスト、製造技術、材料の入手性など、さまざまな要素のバランスが重要です。次世代のエネルギー技術として、今後の進展に注目です。