セラミック固体電池はバッテリー技術の次の大きなトレンドとなるか？

電気自動車のバッテリーがこれまで以上に速く充電でき、しかも寿命が2倍になったらどうなるでしょうか？バッテリーがもっとコンパクトで高効率になったらどうなるでしょうか？これらはセラミック固体電池の潜在的なメリットの一部です。しかし、この技術はまだ市場に投入できる段階にありません。その理由を説明します。

セラミック固体電池の技術は私たちが知っているエネルギー貯蔵を一変させると思われますが、イノベーターが解決しなければならない課題がまだいくつか残っています。

たとえば、これらのバッテリーは現在、生産コストが高すぎる上に、製造がまだ複雑すぎて規模を拡大できません。

しかし、未来は刺激的です。この記事では、固体セラミック電池技術の様々な重要な側面、最近のブレークスルー、そして関連する課題について考察します。まずは、この話題の理由について簡単にご紹介します。

セラミック固体電池とは何ですか?

私たちの日常生活で使うほとんどのガジェットやデバイスは、時計や携帯電話からノートパソコン、電気自動車、そして太陽光発電システム一般的に、リチウムイオン電池には液体電解質が含まれており、イオンがその電解質を通過することで電池が充電されるか、デバイスに電力が供給されます。

しかし、固体電池は異なります。

ソース：ブリタニカ

その名の通り、全固体電池は液体電解質を固体材料であるセラミックに置き換えたものです。つまり、セラミック全固体電池はセラミック電解質を用いて電極間のイオン伝導を行います。

小さな変化のように聞こえるかもしれませんが、セラミック電解質はリチウムイオン電池に比べていくつかの利点があります。その利点をいくつかご紹介します。

安全性：セラミック固体電池は液漏れがなく、不燃性です。
充電時間: リチウムイオン電池よりも最大6倍速く充電できます
エネルギー密度: セラミック電解質はリチウムイオン電池の少なくとも2倍の密度があり、サイズ当たりの効率が高いことを意味します。
電力: セラミック固体電池は室温ではリチウムイオン電池の少なくとも3倍の電力を供給します。

全固体電池は明らかにあらゆる面で勝っていると言っても過言ではありません。しかし、なぜまだ主流になっていないのでしょうか？その答えは後ほど説明します。

全固体電池は環境に優しいのでしょうか?

答えは「はい」です。セラミック固体電池は製造に使用する材料が少ないため、二酸化炭素排出量が少なく、結果として環境への負荷が大幅に軽減されます。

電気自動車では、統計によるとセラミック固体電池は、同じライフサイクルにおけるリチウムイオン電池と比較して、自動車の環境と気候への影響を最大39%削減できます。固体電池はエネルギー密度が高いため、製造に必要な材料と排出量が大幅に削減されます。

さらに、セラミック固体電池は、寿命中に消費する資源も少なくなります。充電速度が大幅に速く、完全に消耗するまでの時間が長いため、ユーザーは電池の管理に必要な資源をほとんど必要としません。

また、この長寿命化により、時間の経過とともに製造および交換する必要のあるバッテリーの数が減り、原材料の抽出、生産、廃棄に伴う環境への負担が軽減されることにも言及する必要があります。

それでは、セラミック固体電池のその他の利点について見ていきましょう。

セラミック固体電池の主な利点

セラミック固体電池の技術はまだ開発段階にありますが、現在市場に出回っている電池に比べて、改善の余地がいくつかあることが既に示されています。

固体電池が提供する利点は次のとおりです。

より高い安全係数

リチウムイオン電池の液体成分は揮発性と可燃性を持つため、安全性に関する最も差し迫った課題の一つです。固体電池は液体電解質を含まないため、一般的に安全性と安定性に優れています。さらに、固体セラミックは電池の陽極と陰極の間に、より安定性と耐熱性に優れたセパレーターを形成し、短絡を効果的に防止します。

より高いエネルギー密度

セラミック固体電池のもう一つの優れた点は、エネルギー密度の向上です。セラミック固体電池は、リチウムイオン電池のグラファイト陽極とは異なり、純粋な金属陽極を使用しています。これにより、電池のエネルギー密度が大幅に向上し、より軽量で小型の電池が実現します。

超高速充電時間

研究によると、セラミック固体電池は、現在市場に出回っている他のすべての電池技術よりも最大6倍速く充電できる可能性があります。正確な数値はまだ明らかではありませんが、これらの電池はわずか10分から15分で最大80%まで充電できる可能性があることが示唆されています。

さらに、セラミックは一般に耐熱性が高いため、セラミックソリッドステートは高温でも優れた性能を発揮します。

容量と航続距離の拡大

固体セラミック電解質は、リチウムイオン電池に見られるようなセパレーターを必要としないため、製造後の全固体電池は一般的に小型化されます。さらに、全固体電池はエネルギー密度が向上しているため、より少ないスペースに多くの機能を詰め込むことができます。つまり、電池はかさばることなく、より高出力化できます。また、全固体電池は軽量化も実現します。

ソース：アンスプラッシュ

セラミック固体電池の優れた点は数多くありますが、それを否定することはできません。しかし、その課題や欠点についても見ていきましょう。

セラミック固体電池の課題

セラミック固体電池の技術は、電気自動車の効率性を向上させるとともに、エネルギー貯蔵業界に革命をもたらす可能性を秘めています。しかし、消費者や市場に投入されるまでには、まだ克服すべき重要なハードルがいくつかあります。

固体電池のブレークスルーがまだ起こっていない理由は次の 3 つです。

安定性の問題

全固体電池は、充電時にセルが膨張し、放電時に元に戻ります。まるでセルが呼吸しているかのようです。これにより不安定さが生じ、最終的には電池の劣化につながります。この問題を解決するには、全固体セルを固定しつつ同時に圧縮する革新的な方法が必要です。

高温時に最も効果的です

固体電極は高温（通常50度以上）でより優れた導電性を示すため、固体電池は低温時には効率が低下する可能性があります。そのため、固体電池が低温でも良好な性能を発揮できるようにするための研究が必要です。

高い生産コスト

セラミック固体電池のもう一つの大きな課題は、製造コストが比較的高いことです。この技術は確かに革新的ですが、その高額な製造コストは、量産化の大きな障害となっています。