全固体電池研究ブーム!突破口を開いた研究者が語る最前線

連載「EVドミノ」バッテリー・インサイド①

東京工業大学の菅野了次教授

 高容量で、数分でフル充電・・・と、電気自動車(EV)にとって夢の電池のように語られる〈全固体電池〉。現在のリチウムイオン電池の電解液を固体電解質に置き換えたもので、実現すればEV市場拡大の後押しになる。15日には、23社もの民間企業が参加する産官学プロジェクトが発足した。大きなムーブメントのきっかけは、東京工業大学の菅野了次教授が2011年以降に発表した新しい固体電解質だ。研究はどこまで進んでいるのか、菅野教授に話を聞いた。  -固体電解質には、酸化物系やポリマー系もあります。菅野教授が研究している硫化物系材料とどう違うのですか。  「現時点で、リチウムイオン電池を上回る可能性を持つのは、硫化物系だけだ。硫化物系で、電解液並みや、電解液よりもリチウムイオンが動きやすい(イオン伝導率の高い)固体電解質が見つかり、高出力電池の可能性が見えた。酸化物系は、まだプロセス開発の段階に入れていない。ゲルポリマーは作りやすく、電解液より少し固体化するため安全になる利点がある。ただ、性能は従来のリチウムイオン電池とあまり変わらない。ドライポリマーはイオン伝導率が低く、60度C以上で使用する必要がある」  -昨年来、企業だけでなく、慎重な印象のある研究者の方たちも、自動車向けの全固体電池について〈5年以内の実用化〉を言及しています。実現できますか。  「世界を代表する自動車メーカー(※編集部注:トヨタ自動車)が実用化を宣言したのだから、全固体電池を搭載した車が出てくると思う。自動車メーカーらや新エネルギー・産業技術開発機構(NEDO)のプロジェクトも始まった。このプロジェクトで、生産プロセスの開発が進む。我々、材料研究の側は、さらに特性のいい電池を実現するための研究を続ける」 【リチウムイオン電池と全固体電池の基礎知識】  リチウムイオンが正極と負極の間を行き来することで充放電が行われる電池。リチウムイオン電池は電解液を介して、全固体電池は固体電解質を介してイオンが行き来する。全固体電池は以前から安全性が求められる限定された用途で使われていた。菅野教授の発見により、高容量で高速充放電の可能性が見い出された。  -その時に、電解液以上にイオン伝導率の高い固体電解質も使われますか。  「最初に量産化される車載電池にどんな材料が使われるかわからないが、電解液以上の材料は発見されて日が浅い。5年以内は難しいかもしれない。だが、イオンの動きやすさが電解液の10分の1や100分の1レベルの材料もある。100分の1の材料は、すでに大量供給できるメーカーがある。一旦、生産プロセスができて電池が量産化されれば、次の段階でより性能の高い固体電解質に置き換えながら進化できる。また、初期の固体電解質も電池性能を高められる可能性を持っている」  -2011年以降、菅野教授は有望な固体電解質を相次ぎ発表し、16年には従来比3倍の出力特性を持つ全固体電池も作成しました。どの材料が車載電池の材料になりますか。  「これまでを振り返ると、2011年にゲルマニウムや硫黄、リチウムなどで構成する材料(LGPS物質系材料)で、固体の中でもイオンがよく動く材料を見つけた。16年には、これに塩素を加えて、電解液の中よりもイオンがよく動く材料を発見した。17年には、イオン伝導性がそこそこ高く、高価なゲルマニウムや扱いの難しい塩素を使わない材料を見つけた。それぞれ特徴が違う。現段階では、どれが実用化されるかではなく、バリエーションを広く持つことで、電池の可能性が広がることに意義がある」 【次ページ:数分の充電や高容量化について】                                   -全固体電池は充電時間が数分間になるのは本当ですか。  「イオンの流れがよくなることで、充電の速さもよくなる傾向に動く。ただ、例えば、数分のように、どこまで速くなるかは、電圧も関係する。良い固体電解質だけあれば解決するものではない。今後、電極や電解質の組み合わせなどがいろいろと検討されることで、実際にどこまで速くできるかわかってくる」  -蓄電できる容量はどうでしょうか。  「まず、電池パッケージがシンプルになって、不要なものがなくなり、同じスペース当たりの容量は増える。現在のリチウムイオン電池は、正極と負極、電解液、セパレーターが一つのセットで、円筒型やラミネート型などのセルをつくり、セルを並べて電池を作成している。全固体電池はセパレーターがいらない。また、セル単位で分けずに、正極と固体電解質、負極を繰り返し積み重ねて電池を作成できる。同じ容量であれば、電池はコンパクトになる」  -リチウムイオン電池では使えない電池材料が使えることも、容量アップに貢献すると聞きます。  「当研究室では実験で実証していないが、電極の選択肢が広がる期待はある。量産初期の全固体電池に新しい電極材料の採用は間に合わないかもしれないが、他の方法でも容量を増やせる可能性がある。電池が作動する時の電圧を少しでも高められれば、容量を増やせる。また、正極の電解質を厚くできれば、その厚さに伴って(電池内を行き来するリチウムイオンが増えて)容量が増える」  -一般的に自動車は新しい部品や材料の採用に慎重で、投資も巨額になります。車載電池よりも採用しやすい用途があるのではないですか。  「これまで、新しい電池が既存の電池を置き換えたことはない。自動車のエンジン始動は今も鉛電池を使う。新しい電池が登場する時、必ずと言っていいほど同時に新しい用途が誕生してきた。リチウムイオン電池であれば、パソコンやスマートフォンだ。今の電池に課題を持つ自動車が、全固体電池にとって最も大きな目標となる。硫化物系の固体電解質の全固体電池は、最も車載電池に求められる安全性や容量をクリアできる可能性が高いが、要求に応えるには、第1弾が出て、第2弾以降へと続く必要がある。今は、第1弾を出すために、生産プロセス開発も含めて突き進んでいくこと重要だ」  -今は実用化に向けてどんな段階ですか。  「材料研究でわかってきた全固体電池が最大限特性を発揮した時の理想状態に対し、大型電池にした時の性能限界をどこまで近づけられるか。今後数年間の取り組みが非常に大事だ。リチウムイオン電池との差が小さければ、あえて全固体電池にする必要はなくなってしまう。全固体電池の性能の限界を引き上げるには、プロセス開発や材料開発、メカニズム解析といった各分野の努力に加え、分野間の〈会話〉が求められる。一つの発見を他の分野に素早く展開して、研究の方向性などをお互いが調節する。これがうまくいって初めて、全固体電池の研究をスピードアップできる。日本は研究者の層が厚い。新しい電池が出てくる時は、必ず日本から出てくる」 【菅野教授が発見した固体電解質】 2011年 リチウムとゲルマニウム、リン、硫黄で構成されるLGPS物質系で、イオン伝導率の高い固体電解質を発見。 2016年 LGPS物質系材料に塩素を加えることで電解液に比べ2倍のイオン伝導率の固体電解質と、広い電位窓を持つ固体電解質を発見。この電解質を使い、従来に比べ3倍の出力特性を持つ全固体電池を開発。 2017年 高価なゲルマニウムや、特異な組成となる塩素を使わずに、電解液に匹敵するイオン伝導率の固体電解質を発見。

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