全固体電池をわかりやすく解説。従来の電池との違い、トヨタ・日産・ホンダの開発状況

全固体電池

かねてより“夢のバッテリー”と呼ばれた全固体電池。しかし、そもそも何が画期的なことなのか、技術的な課題は何なのかなど十分に理解されていない面もあります。そこで、図解を用いて、電気自動車(EV)に組み込む全固体電池の仕組みをわかりやすく解説するほか、自動車メーカーのバッテリー技術開発の動向を紹介します。

 

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全固体電池とは「中身すべてが固体の電池」

全個体電池

画像:iStock.com/zorazhuang

 

「全固体電池」は「ゲームチェンジャー」と呼ばれるように、次世代の電気自動車(EV)用電池の注目株となっています。名称からわかるように、特徴は「中身すべてが固体」であること。実のところ、今ある「リチウムイオン電池」は、その中身に電解質という液体が使われています。その液体を固体化したものが「全固体電池」となります。リチウムイオン電池の進化版と言ってもいいでしょう。

 

全固体電池のメリット

充電

画像:iStock.com/Chesky_W

 

液体を固体化することで、全固体電池は、さまざまなメリットを得ることができます。

まず、充電スピードが速くなります。全固体電池を開発する自動車メーカーいわく、充電にかかる時間は3分の1に短縮されます1)。さらに、電池の容量も大きくなります。これも自動車メーカーいわく、エネルギー密度が2倍2)。また、固体ですから液漏れがなく、安全面でも利点がありますし、作動温度範囲も広く、高温や低温状態でも充放電が可能です。

全固体電池を搭載することでEVは、より遠くまで走れるようになり、そして充電にかかる時間も圧倒的に少なくなるのです。こうした魅力アップによってEVは、今よりもたくさん売れるようになり、日本のカーボンニュートラルに貢献する! というのが全固体電池に寄せられる期待です。

つまり、ただひとつの部品という話ではなく、世の中を一変させるポテンシャルがある。それが全固体電池の注目の理由と言えるでしょう。

 

 

 

【図解】全固体電池の仕組み・構造をわかりやすく解説

 

電池の基本構造

そもそも電池の基本的な構成は、プラス(正極)とマイナス(負極)の電極、その間の電解質という3つです。そして放電時には電極のプラス(正極)からマイナス(負極)へ、充電時には逆に電流が流れます。このとき、化学反応によって生まれた電子のイオンが、放電時にはマイナス(負極)からプラス(正極)、そして充電時には逆に移動することで、電流の流れが生まれます。

 

従来の電池と全固体電池の違い

現在のリチウムイオン電池は、プラス(正極)にリチウム化合物、マイナス(負極)にカーボン系材料が主に使われています。充放電のときは、その2つの電極の間をイオンが行き来します。ここでイオンの往来する道となるのが電解質。現在のリチウムイオン電池は、有機溶媒と呼ばれる液体が使われます

〈図〉リチウムイオン電池の構造

リチウムイオンの構造

正極と負極が触れ合わないように、セパレータが存在。セパレータはリチウムイオンを通し、流れを阻害しない。

この電解質を液体から固体に変えたものが、次世代の期待の全固体電池です。電解質を液体から固体に変えることで、より早いイオンの移動=素早い充電、容量の拡大、安全性のアップが実現できるのです。

〈図〉全固体電池の構造

全固体電池の構造

電解質が固体で正極と負極が触れ合わないため、セパレータはない。

全固体電池の種類

全固体電池といっても、電解質の材料により、硫化物系と酸化物系などに分類することができます。硫化物系は、性能面で優れますが水に弱いという弱点があり、逆に酸化物系は安定性が高いという長所がありますが、高温での焼成が必要で作るのに手間がかかります。

 

「全固体電池は実用化できない」と言われる理由

全固体電池は、実のところ目新しい技術ではありません。それこそ、何十年にもわたって研究されてきました。それでも、実用化されていないのは、やはり大きな課題が存在していたから。最大の課題は、「耐久性にとぼしい」ということです。何度も充放電を繰り返すと、性能が落ちてしまうのです。その課題を克服することができないため、現在まで実用化されていません。

 

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全固体電池の開発状況/自動車メーカーの取り組み

次世代のEV用の電池として大注目の全固体電池。では、日本の自動車メーカーは、そんな全固体電池に対して、どのような取り組みを行っているのでしょうか。

 

Ⅰ.トヨタ:2027~2028年の市場導入を目指し着実に進む

トヨタ

画像:iStock.com/ollo

 

トヨタは2021年12月の「バッテリーEV戦略に関する説明会」にて、「2030年までに30種類のバッテリーEVを展開」「フルラインナップでバッテリーEVを揃える」「2030年にバッテリーEVの販売を年間350万台」を目標として宣言しました3)。そのためには、次世代の電池の本命といわれる全固体電池にも力を入れています。

まず、全固体電池については2006年から要素技術研究・開発に手を付け、2008年に電池研究部を設立して研究を加速させました。ちなみに、トヨタでは2021年9月の「電池・カーボンニュートラルに関する説明会」において、全固体電池は、高出力化にも期待できるため、EVだけでなく、ハイブリッド車(HEV)にも適用したいと言っていました4)

そうした自社による基礎的な研究の末、トヨタは2023年6月に「トヨタ、クルマの未来を変える新技術を公開」というリリースにおいて、全固体電池に関して「課題であった電池の耐久性を克服する技術的ブレイクスルーを発見」と発表5)。これにより「HEV導入を見直し、期待の高まるBEV用電池として開発を加速」、「2027~2028年の実用化にチャレンジ」を実施すると説明しています。

興味深いのは、その性能です。トヨタが並行して開発中の次世代の改良型リチウムイオン電池よりも、研究中の全固体電池は、さらに航続距離で20%向上、急速充電においてもSOC10~80%で10分以下を目指すといいます。また、航続距離50%向上を目指す、さらなる高性能仕様も同時に研究されていると説明しました。漠然とした基礎研究ではなく、しっかりとした目標設定のある開発であることが感じられます。

そんなトヨタは、2023年10月に「出光とトヨタ、バッテリーEV用全固体電池の量産実現に向けた協業を開始」を発表6)トヨタと出光興産は、次世代電池の全固体電池の量産技術開発、生産性向上、さらにはサプライチェーン構築を取り組むという内容で、リアルにどうやって作っていくのかという話です。ちなみに、トヨタと出光が協力して作る次世代の全固体電池は硫化物系であり、その原料となるのは石油です。出光興産が石油製品を製造する過程で発生する硫黄成分から、硫化物系固体電解質が作られているのです。

具体的には、トヨタと出光は、量産実証装置を作り、実際に電池を生産。全固体電池を搭載する次世代の電動車の開発を進め、2027~2028年の全固体電池搭載車の市場導入を確実なものとすると説明しています。そして、将来に向けた本格量産のための検討を行うというのです。

しっかりと段階を踏みながら登っていく。その確実さこそ、トヨタらしいところではないでしょうか。

 

 

Ⅱ.日産:1kWhあたり75ドルという価格も明示

日産

画像:iStock.com/joel-t

 

日産は世界でも、最も早い時期にEVの量産を開始したメーカーです。2010年に「リーフ」を発売し、2023年7月に世界で100万台の電気自動車(EV)の販売を達成しています7)。当然、全固体電池の開発も進んでおり、2021年11月の「日産自動車、長期ビジョン『Nissan Ambition 2030』を発表」において、「全固体電池を2028年度に市場投入」すると明言しました8)

驚いたのは、その発表において「エネルギー密度が2倍」「充電時間が3分の1」という性能だけでなく、価格についても触れたことです。その内容は、「ASSB(編集注:全固体電池)のコストは、2028年度に1kWhあたり75ドル、その後、EVとガソリン車のコストを同等レベルにするため、65ドルまで低減していくことを目指します」というもの。これは驚くべき安さです。

1ドル=150円で計算すると、75ドルは1万1250円です。日産のEVフラッグシップとなる「アリア」では、66kWhのリチウムイオン電池を搭載した「B6 limited」が660万円、91kWhの「B9 limited」が740万円。25kWhの違いで、価格差が80万円。これで1kWhを計算すると3.2万円になります。75ドルという価格は、その概算の半額にもなりません。また、一般的にも価格低下が進んだEV用のバッテリーパックの価格は、2023年時点で、1kWhあたり140ドル程度と言われていますから9)、それと比べても半分となります。2年前の発表時より情勢は変わっていますが、もし1kWh=75ドルが現実のものとなれば、EVはさらに身近な存在になることでしょう。

さらに日産は2022年4月に「日産自動車、全固体電池の試作生産設備を公開」10)研究室ではなく、試作生産にまでステップが進んでいることを示しました。国産メーカーの中でも、全固体電池に対する取り組みは、日産が最も進んでいるように感じられます。

 

 

Ⅲ.ホンダ:生産ライン構築もあわせ約430億円を投資

HONDA

画像:iStock.com/chameleonseye

 

ホンダは現社長となる三部敏宏氏が2021年4月の就任会見において「EV・FCEV販売を2040年に100%」を宣言しました11)。エンジンへの決別を、日本メーカーとして初めて明言したのです。同時に全固体電池を独自に進めているとし、「実証ラインでの生産技術の検証に着手し、2020年代後半のモデルに採用できるように研究を加速する」とも説明しました。全固体電池の市場投入時期は、トヨタや日産とも、あまり変わりがなさそうです。

そして2022年4月の「四輪電動ビジネスの取り組みについて」の発表では、「全固体電池の実証ラインに着手、約430億円を投資し2024年春に立ち上げ予定」と説明します12)。ちなみに、ホンダのEVのラインナップは、2030年までにグローバルで30機種、年間生産は200万台オーバーを計画しています。その計画達成のためにも、2020年代後半の全固体電池の市場投入は、ホンダにとって重要な目標になるのではないでしょうか

 

 

全固体電池だけじゃない! 注目すべきEVバッテリー技術

充電中

画像:iStock.com/Just_Super

 

ここまで全固体電池について語ってきましたが、実用の観点でいうと、他のバッテリー技術により注目すべき、という声もあります。そこで、全固体電池以外のバッテリーについても解説します。

注目すべき筆頭は現在もあるリチウムイオン電池の改良です。全固体電池が登場しても、それがいくらになるのかは不明です。そもそも、本当に量産化できるのかは、まだ確実ではないのです。ですから、喫緊の課題としては、今あるリチウムイオン電池が、より高性能になり、より安価になることが挙げられます。

 

Ⅰ.トヨタ:3種類のリチウムイオン電池の開発も推進

トヨタは、全固体電池とは別に、3種類のリチウムイオン電池を開発しています13)。ひとつが「パフォーマンス版」、そして「普及版」、最後に「ハイパフォーマンス版」です。

「パフォーマンス版」は電池の高エネルギー化を実現しつつ、コストを20%減らし、急速充電は20分以下を目標にしています。空力や軽量化などの車の改良とあわせることで、航続距離を従来型の2倍となる1000㎞を達成し、2026年導入のEVに採用を予定しています。「普及版」は、HEVのニッケル水素電池でも採用したバイポーラ構造を使い、コンパクト化と高出力化を実現。材料に安価なリン酸鉄リチウム(LFP)を使ってコストダウンも実現。航続距離で従来比20%アップ、コスト減40%を達成するといいます。

こちらの市場導入は2026~2027年がターゲットです。「ハイパフォーマンス版」は、バイポーラ構造とハイニッケル正極を採用。「パフォーマンス版」よりもさらに航続距離10%アップ、コスト減10%、急速充電20分以下を達成。市場導入は2027~2028年を目標としています。

つまり、トヨタは複数の電池を用意することで、安価なEVから高性能なEVまでを揃えるというのです。

 

Ⅱ.日産:リチウムイオン電池のコストダウンに言及

また、日産も2021年発表の『Nissan Ambition 2030』で、従来のリチウムイオン電池のコストダウンに言及しています14)。液体のリチウムイオン電池を、コバルトフリー化して、2028年までに現行「リーフ」よりも65%コスト削減するというのです。日産の説明では、大型のEVには全固体電池を採用しますが、小型のEVにはコストダウンした液体のリチウムイオン電池が搭載されることになるそうです。

 

Ⅲ.ホンダ:半固体電池(リチウム金属二次電池)の共同開発に着手

そしてホンダも同様に液体のリチウムイオン電池を手放しません。2023年1月に「HondaとGSユアサ、高容量・高出力なリチウムイオンバッテリーに関する協業に向けた基本合意を締結」を発表15)。ホンダと、電池メーカーであるGSユアサの2社で、より高容量・高出力のリチウムイオン電池の研究・開発・生産に協力するというのです。

こちらの市場導入は、やはり2020年代後半以降。また、さらなる未来に向けては、アメリカのSES社に投資し、半固体電池リチウム金属二次電池の共同開発もスタートしています16)。半固体電池(リチウム金属二次電池)は、高いエネルギー密度が期待できる電池です。実現化すれば、EVの航続距離をさらに延長することができます。ホンダは「独自に開発している全固体電池を含めて、次世代バッテリーとしていくつかの選択肢を並行して検討しており、今回の共同開発契約はその一環です」と説明しています。

 

 

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全固体電池はいつ実用化する? 将来見込みとは

充電中

画像:iStock.com/piranka

 

全固体電池については、トヨタ、日産、ホンダという3社が、足並みをそろえて2028年頃の市場導入を目標に掲げています。現実的には1~2年ほどの誤差はあるはずですが、それでも2030年までには、各社から全固体電池を搭載したEVが発売されていることでしょう

しかし、全固体電池が登場したからといって、すべてのEVが全固体電池に切り替わるわけではありません。従来からの液体の電解質を持ったリチウムイオン電池の改良版が、新たに各社から投入されることも確実です。さらには、ホンダが挑戦する、半固体電池(リチウム金属二次電池)のようなニューフェイスが登場するかもしれません。

全固体電池は「ゲームチェンジャー」と言われるほど高いポテンシャルを備えていますが、それひとつですべてを解決できるものではありません。ニーズに合わせて、さまざまな車が存在するように、ニーズにあわせて複数の電池が使われる。それがEVの未来になるのではないでしょうか。

 

 

この記事の著者
鈴木 ケンイチ
鈴木 ケンイチ

1966年生まれ。茨城県出身。國學院大学経済学部卒業後、雑誌編集者を経て独立。レース経験あり。日本自動車ジャーナリスト協会(AJAJ)会員。