なぜ皆、全固体電池を開発しようとしているのか？

なぜ皆、全固体電池を開発しようとしているのか？ ブライアン・ポッター 2026年7月30日 801 シェア 大きな注目を集めているバッテリー技術の一つが全固体電池です。これは、液体電解質を固体材料に置き換えたリチウムイオン電池です。中国のバッテリーメーカーCATLだけでも、2024年時点で1,000人以上の人員を全固体電池の研究に充てており、BYD、LG、Samsungといったバッテリーメーカーもこの技術に取り組んでいます。米国や欧州の全固体電池を開発するスタートアップは、2025年までに総額40億ドル以上を調達しています。 全固体電池は、現在使用されている液体電解質のリチウムイオン電池と比較して、いくつかの潜在的な利点があります。まず、液体電解質を固体に置き換えることで、バッテリーをより軽量化でき、供給されるエネルギーあたりの質量を削減できます。また、現在バッテリーに使用されている液体電解質は可燃性があるため、固体に置き換えることでバッテリーの安全性を高め、火災のリスクを低減できる可能性があります。 なぜ全固体電池が従来の литий-イオン電池よりもこれらの利点を持つのか、そしてそれが литий電池の改善というより広い流れの中でどのように位置づけられるのかを、より深く理解したいと思いました。 バッテリーの基本 バッテリーは化学反応を通じてエネルギーを供給します。化学反応は、関与する化学物質に関わらず、すべて同じメカニズムでエネルギーを放出または吸収します。それは、電子が一方のポテンシャルエネルギー井戸からもう一方へ移動することです。エネルギーを放出する化学反応（発熱反応）では、電子は高いポテンシャル井戸から低いポテンシャル井戸へと移動し、その過程でエネルギーを放出します。 「ポテンシャル井戸」はかなり抽象的なので、重力のアナロジーで考えると役立ちます。ボールが背の高い丘の頂上にある浅い溝にあり、底にもう一つ浅い溝があると想像してください。ボールは重力によって下向きに引っ張られ、ポテンシャルエネルギーを持ちます。これはボールの質量と、ボールが底からどれだけ高いかによって決まります。ボールはそれ自体では動きませんが、少し押して溝から出すと、丘を転がり落ち、その過程でポテンシャルエネルギーを放出します。このポテンシャルエネルギーは運動エネルギー（ボールの速度）に変換され、それがさらに摩擦による熱エネルギーに変換されてボールを減速させ、下の溝で停止させます。 化学反応も同様に機能します。しかし、重力の代わりに、ポテンシャルエネルギーは電磁気から来ます。正電荷を持つ原子核が負電荷を持つ電子を引っ張るのです。発熱反応では、原子はある特定の「溝」から始まり、その電子も特定の配置にあります。しかし、原子に少しキックを与えると（例えば、衝突がよりエネルギッシュになるように加熱するなど）、それらを溝からノックアウトし、「丘を転がり落ちる」ようにして、より低いエネルギー構成へと移行させ、その過程で電気ポテンシャルエネルギーを変換します。そのポテンシャルエネルギーの一部（実際には半分）は電子の速度を増加させるために使われ、残りは振動（熱）または光子として放出されます。 例えば、メタン分子（炭素原子1つと水素原子4つ、CH4）と2つの酸素分子（それぞれ酸素原子2つ、O2）があるとします。これらの分子は、電子が特定の配置から始まります。酸素原子は互いに結合し、水素原子は炭素に結合しています。室温では、O2とCH4はほとんど反応しません。それぞれが独自のポテンシャル井戸にあり、そこから抜け出すにはエネルギーが必要です。しかし、熱を加えてキックを与えると、「丘を転がり落ち」、一連の反応を経て、より低いエネルギー構成（水素原子と炭素原子がそれぞれ酸素と結合し、H2OとCO2を形成）に至ることができます。結果として得られる電子配置は、より低いポテンシャル井戸にあり、その差の多くが熱として放出されます。 リチウムイオン電池は、その名の通り、リチウムを用いた化学反応を利用しています。リチウムイオン電池が放電するとき、リチウムイオンとその電子は「丘を転がり落ち」、アノード（グラファイトシート間に挿入される、「インターカレーション」として知られる）でのある構成から、カソード（リチウム鉄リン酸塩、LiFePO4などの別の材料にインターカレーションされる）での異なる、より低いエネルギー構成へと移動します。バッテリーは、この反応からエネルギーを抽出できるように構造化されています。リチウムイオンは電解質を通過できますが、電子は通過できません。電子は、アノードとカソードを接続する金属導体を通過しなければなりません。この電子の流れが、バッテリーが生成する電流です。（バッテリーが充電されているときは逆のことが起こります。導体に電圧が印加されると、電子がアノードに戻るように強制され、リチウムイオンが電解質を逆方向に流れて電荷のバランスを保ちます。） リチウムがバッテリーの選択肢として好まれるのは、適切な反応物質と組み合わせたときに、リチウムから電子が離れる際の「落下幅」が他のどの金属よりも大きいからです。リチウムは非常に軽い原子（原子質量約7）でもあり、この大きな「落下幅」と相まって、リチウム反応は高いエネルギー量をもたらします。質量あたりでは、リチウム反応はガソリンを燃焼させるのとほぼ同量のエネルギーを放出します。 しかし、これが真実なら、なぜリチウムイオン電池はガソリンよりもエネルギー密度がはるかに低いのでしょうか？ その大きな理由の一つは酸化剤です。エネルギーに依存する化学反応は通常、電子が最終的に落ち着くための下り坂の行き先、すなわち酸化剤を必要とします。ガソリンを燃焼させる場合、酸化剤は周囲の空気中の酸素です。ガソリンエンジン内では、燃料と空気が混合され、点火されて化学反応（爆発）が引き起こされ、エンジンを駆動します。つまり、ガソリン車は酸化剤を自分で運ぶ必要がありません。なぜなら、常に周囲に利用可能な酸化剤があるからです。 一方、リチウムイオン電池はそれほど幸運ではありません。電子の行き先を、カソードという形で自分で運ぶ必要があります。これは、ガソリン車が運ぶ必要があるものと比較して、かなりの追加質量となります。もし車が自身の酸化剤を運ぶ必要があるとしたら、ガソリン1キログラムあたり約3.5キログラムの酸素が必要になります。 より一般的に言えば、化学反応から電気電流の形でエネルギーを抽出できるように、リチウム反応を構造化するには多くの材料の足場が必要です。アノードでは、各リチウムイオンは追加の6個の炭素原子を必要とし、リチウムイオンが収まるグラファイトシートを形成します。カソードでも同様のインターカレーション構造が必要です。これに加えて、電解質、セパレーター、電流コレクターなどの追加質量があります。2019年時点では、バッテリー内の反応性リチウム1グラムあたり約70グラムの支持材料が必要でした（ただし、この数字はそれ以降いくらか低下した可能性があります）。 この材料の足場がない場合でも、反応は起こり得ますが、有用ではない方法で起こります。カソードとアノードの間に直接的な経路が作られると、反応はほぼ瞬時に進行し、大量の熱を発生させ、バッテリーを破壊する他の化学反応を引き起こしますが、有用な電流は生成されません。実際、現代のバッテリー設計では、これらの暴走反応を防ぐために多大な労力が払われています。 もちろん、この材料の足場の利点は、同じ化学物質を繰り返し使用できることです。特に現代のリチウムイオン電池のインターカレーション電極は、この点で非常に優れています。バッテリーの充放電中に電極構造が維持されるため、リチウムイオン電池は容量の大部分を維持しながら、非常に多くのサイクルで使用できます。一方、ガソリンを燃焼させる場合、反応生成物を放電しています。