全固体電池は、従来の液体電解質を固体電解質に置き換えた革新的な電池技術で、高い安全性、長寿命、高エネルギー密度などの利点を持ち、電気自動車や次世代エネルギー貯蔵システムへの応用が期待されています。
硫化物系電解質の安全性
硫化物系固体電解質は高いイオン伝導性を示し、全固体電池の性能向上に大きく寄与しますが、安全性に関しては課題があります。最大の懸念は、水分との接触により有毒な硫化水素ガスを発生する可能性です。このため、硫化物系全固体電池の取り扱いには十分な注意が必要で、特に電気自動車への搭載を想定した場合、交通事故時の安全性確保が喫緊の課題となっています。研究者らは、硫化水素が発生しにくく、かつイオン伝導率の高い固体電解質材料の開発に取り組んでおり、安全性と性能の両立を目指しています。一方で、酸化物系固体電解質は硫化物系に比べてイオン伝導度は劣るものの、大気中で安定であり硫化水素ガスを発生しないため、安全性の面では優れているとされています。
バルク型と薄膜型の比較
全固体電池は主にバルク型と薄膜型の2種類に分類されます。バルク型は一般的なリチウムイオン電池と構造が類似しており、高容量化が可能ですが、固体電解質の開発や界面形成が課題となっています。一方、薄膜型全固体電池は、気相法を用いて薄膜を積層させて作製され、サイクル寿命に優れています。薄膜型は高い耐久性と長寿命、小型化が可能な特性を持ち、センサーなどの小型デバイスでの使用が想定されています。また、薄膜型は均一な積層構造を持つため、電極、電解質、界面の反応や劣化メカニズムの研究に適しており、全固体電池システム全体の性能向上に貢献することが期待されています。
電極と電解質の密着性課題
全固体電池の実用化において、電極と固体電解質の密着性は重要な課題となっています。液体電解質を使用する従来のリチウムイオン電池と異なり、全固体電池では固体同士の界面で十分な接触を維持することが難しく、これが界面抵抗の増加や電池性能の低下につながります。特に、充放電の繰り返しや温度変化による体積変化が、電極と電解質の密着性を低下させる要因となっています。
この課題に対し、研究者らは様々なアプローチを試みています。例えば、電極表面の原子配列を規則的にすることで界面抵抗を低減できることが発見されました。また、硫化物系電解質は柔軟性があり、電極との密着性を高めやすい特性を持っています。製造プロセスの改善も進められており、トヨタ自動車は湿式コーティング技術を用いて電解質を薄く形成し、イオン伝導度を大幅に向上させることに成功しています。これらの技術開発により、全固体電池の性能向上と実用化が加速することが期待されています。
