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電池の中身を「液体→固体」に変えるだけで何が起きる? 全固体電池が期待されるワケ

電池の中身を「液体→固体」に変えるだけで何が起きる? 全固体電池が期待されるワケ

読む前に予想してみよう!

全固体電池は燃えやすい液体を使わないため、安全性が高まると期待されている

研究カード(どんな研究?)
対象
硫化物系などの固体電解質と全固体電池セル
規模
実験室スケールのセル
研究の種類
材料研究・レビュー
確かさ
★★★☆☆
3秒でわかる

電池の中の液体(電解液)を固体に置き換える全固体電池。燃えにくさや急速充電に期待が集まるが、固体同士をうまくくっつけ続けるのが難しく、大型の量産はこれから。

ひとことで言うと電池の「中の液体」を「固体」にした、次世代のバッテリー!

もくじ
  1. 今の電池には「燃えやすい液体」が入っている
  2. 「固体の中をイオンが速く動く」という発見
  3. 期待されている3つのメリット
  4. 最大の難題は「固体同士の相性」
  5. まとめ

電気自動車(EV)のニュースで、「全固体電池で航続距離が大幅アップ」「充電時間が短く」といった見出しを見かけるようになりました。

名前はいかにも難しそうですが、アイデアはとてもシンプル。電池の中にある「液体」を「固体」に置き換える――ただそれだけです。

でも、たったそれだけの違いで、なぜこんなに期待されているのでしょうか。そして、なぜまだ私たちのスマホや車に入っていないのでしょうか。

01今の電池には「燃えやすい液体」が入っている

スマホやEVで使われるリチウムイオン電池の中では、リチウムイオンがプラス極とマイナス極の間を行き来しています。そのイオンが泳ぐ“プール”の役目をしているのが、電解液という液体です。

この電解液には有機溶媒という、燃えやすい液体が使われています。電池が強くぶつかったり、異常に熱くなったりしたときに発火事故が起きるのは、これが一因です。

全固体電池では、このプールを固体の電解質に置き換えます。イオンは液体の中を泳ぐ代わりに、固体の結晶のすき間をすり抜けて移動するのです。

液体のプールを泳ぐイオンから、固体の“トンネル”を抜けるイオンへ。
液体のプールを泳ぐイオンから、固体の“トンネル”を抜けるイオンへ。

02「固体の中をイオンが速く動く」という発見

昔は「固体の中では、イオンはのろのろとしか動けない」と考えられていました。それが変わったのは、日本の研究がきっかけの一つです。

これにより、全固体電池は「安全だけど性能はイマイチ」から「安全で高性能かもしれない」電池へと、一気に注目度が上がりました。

03期待されている3つのメリット

  • 燃えにくい:燃えやすい液体を使わないため、安全性が高まると期待される
  • 熱に強い:高温でも性能が落ちにくく、冷却装置を簡単にできる可能性
  • 急速充電・高エネルギー密度:材料の組み合わせしだいで、短い時間での充電や、より多くの電気を蓄えることにつながる可能性

04最大の難題は「固体同士の相性」

難しさの正体は、固体と固体のくっつき具合です。液体ならどんな形のすき間にも入り込めますが、固体同士はピッタリ密着させるのが大変です。

しかも電池は、充電・放電のたびに電極の材料がわずかにふくらんだり縮んだりします。そのたびに固体同士の間にすき間ができると、イオンが通れなくなり、性能が落ちてしまうのです。ほかにも、材料が空気中の水分と反応しやすいものがあることや、製造コストなど、乗り越えるべき課題は多くあります。

自動車メーカーの中には、2020年代後半ごろの実用化を目標に掲げるところもありますが、執筆時点ではまだ「本格的に普及した」とは言えない段階です。

05まとめ

全固体電池は、電池の中の液体を固体にするというシンプルな発想から生まれた次世代バッテリー。安全性や急速充電への期待は大きい一方、固体同士の接触という“地味だけど手ごわい”壁が残っています。

ニュースで「全固体電池搭載!」と見たら、「どのくらいの大きさの電池?」「いつ・どれだけ作れる?」に注目してみてください。

この研究を英語で読もう原田英語の English CornerNews about electric cars often mentions all-solid-state batteries, which promise longer driving ranges and… 音声 4択クイズ9問A2・B1・B2タップして開く

原田英語の English Corner

この研究を英語で読もう

News about electric cars often mentions all-solid-state batteries, which promise longer driving ranges and shorter charging times. The idea is simple: replace the liquid inside a lithium-ion battery with a solid. In today's batteries, ions swim through a liquid called an electrolyte, but this liquid contains flammable chemicals. In a solid-state battery, ions pass through gaps in a solid crystal instead.

Scientists once believed ions moved too slowly in solids. However, in 2011 a Japanese research team, including Toyota, discovered a solid material in which ions moved about as fast as in a liquid. Even so, it is hard to keep solids in close contact, especially because electrodes swell and shrink during charging. Large batteries for cars are still being developed.

121 words ・ CEFR B1

和訳を見る

電気自動車のニュースではよく全固体電池が話題になります。それはより長い航続距離とより短い充電時間を約束するものです。考え方はシンプルで、リチウムイオン電池の中の液体を固体に置き換えるのです。今日の電池では、イオンは電解液と呼ばれる液体の中を泳いでいますが、この液体には燃えやすい化学物質が含まれています。全固体電池では、イオンは代わりに固体の結晶のすき間を通り抜けます。

科学者たちはかつて、固体の中ではイオンの動きが遅すぎると考えていました。しかし2011年、トヨタを含む日本の研究チームが、イオンが液体の中とほぼ同じくらい速く動く固体の材料を発見しました。それでも、固体同士を密着させておくのは難しく、特に電極が充電中にふくらんだり縮んだりするためです。車用の大きな電池はまだ開発中です。

4択リーディングクイズ

Q1. Why can today's lithium-ion batteries catch fire?

Q2. What did the Japanese research team discover in 2011?

Q3. Why is it difficult to keep the solid parts in close contact?

重要単語

  • electrolyteC1
    名詞電解質、電解液The liquid electrolyte can catch fire. electro-(電気)+lyte(分解されるもの)。スポーツドリンクの「電解質」も同じ語。
  • solid-stateC1
    形容詞固体の(固体だけでできた)Solid-state batteries use no liquid inside. PCの SSD(solid-state drive)も同じ発想で「可動部や液体を使わない」。
  • ionic conductivityC1
    名詞(句)イオン伝導度The new material has high ionic conductivity. conduct(伝える・導く)→ conductivity(伝導度)。conductor は「指揮者/導体」。
  • interfaceC1
    名詞界面(物と物の境目)Problems often happen at the interface between solids. inter-(間)+face(面)。IT では「つなぐ仕組み」、材料科学では「境界面」。
  • mass productionB2
    名詞(句)大量生産Mass production is still a challenge. mass は「大量の・大衆の」。mass media, mass-produce(動詞)も合わせて。
  • flammableC1
    形容詞燃えやすい、可燃性のMany liquid electrolytes are flammable. inflammable も「燃えやすい」で同じ意味(否定ではない!)という引っかけが有名。反対は non-flammable。
  • contractB2
    動詞縮む、収縮するElectrode materials expand and contract during charging. 名詞「契約」が有名だが、動詞では「縮む」。expand(膨張する)と対で出る。アクセントは動詞が後ろ。

動画でもっと知る

電池の中にある“液体”を“固体”に変えるだけの全固体電池。燃えにくくて急速充電にも強いと期待されてるけど、最大の難題は「固体同士がピッタリくっついてくれない」ことらしい。

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出典・参考文献(4件)タップで表示
  1. Kamaya et al. (2011) A lithium superionic conductor, Nature Materialsdoi.org
  2. Kato et al. (2016) High-power all-solid-state batteries using sulfide superionic conductors, Nature Energydoi.org
  3. Janek & Zeier (2016) A solid future for battery development, Nature Energydoi.org
  4. Janek & Zeier (2023) Challenges in speeding up solid-state battery development, Nature Energydoi.org