東京工業大学 ゼロカーボンエネルギー研究所
助教 安井伸太郎
カーボンニュートラルを進めて行く上で、エネルギーの高効率利用は重要な課題である。エネルギーストレージの選択肢は蓄積するエネルギー量で様々な選択肢が必要になるが、我々の生活に最も身近なエネルギーストレージは電池であろう。昨今、リチウムイオン二次電池は我々の生活に欠かせないエネルギーストレージであるが、より安全に使用するという観点から全固体化が進められている。現在使用している有機溶媒を含む液系リチウムイオン二次電池は製造プロセスを含めて最適化が十分に検討されているため、製造コストパフォーマンスに優れる。身近な例で言えば、最近10年における単位容量あたりのモバイルバッテリーの価格下落が凄まじい。“燃える”事を度外視すれば、電池を全固体化する必要性について賛否両論である。従って、既存液系電池に変わって全固体電池を実用化するためには絶対的メリットが必要となり、例えば電気自動車(EV)に求められている高エネルギー密度、高出力性、高サイクル性などの特性が得られれば、全固体化への転機となるはずである。一方で、コスト高がデメリットとなっていることも事実である。
現時点で最も実用化に近い硫化物系全固体電池は水分に非常に弱い事で知られているが(液系リチウムイオン電池も水分に弱い事を追記しておく)、少なくともドライルームによる露点マイナス60℃を下回る絶乾条件でのプロセシングが必須となり、これが低コスト化を阻んでいる。固体電解質の材料費も決して安くはない試算だ。これらのデメリットを乗り越えるために、我々は、今までの電池作製とは全く異なる視点から開発した、厳重な露点管理が不要な大気ハンドリングできる全固体電池を提案したい 1)。プロセスは水ベースのスラリーを基本として、従来の液系で利用されている塗布技術へ展開した。固体電解質の基盤材料はセラミックス 2)、リチウム塩および水となる。電池駆動中に自由に動ける水(自由水)が存在すると水の電気分解により動作不良を起こすことから、プロセスで使用した自由水を最終的には取り除く必要がある。自由水除去された電池は、条件を選べば少なくとも1000回以上は動作する。電池駆動電圧は2.35Vと比較的小さめ(液系と比較し約2/3の電圧)であるが、液系電池と比較して同等の製造コスト設定に持っていける可能性を秘めているところに勝算があるかもしれない。
参考文献
1) 全固体電池のゲームチェンジャー 〜嫌われている水と向き合うことで得られる新しい固体電解質〜 応用物理 11月号2023年.
2) Sosuke Takei, Ayumi Itoh, Yoshinao Kobayashi, Keigo Kamata, and Shintaro Yasui, Jpn. J. Appl. Phys., 62, SM1025 (2023).