製品進化とマネジメント風景 第76話 全固体電池の技術進化と家庭用蓄電池の安全マネジメント
家庭用の太陽光発電は、FIT制度の導入もあり、2013～2015年の３年間は記録的な売れ行きとなりました。その後は横ばいを続けていますが、今後は、脱炭素の一環として、公共施設はもちろんのこと、一般人の戸建て住宅、集合住宅に加え、企業のオフィスビル、工場などにも、太陽光発電の設備が導入されていくことでしょう。
太陽光発電の設備がどんどん導入されると、夏場の冷房需要時の発電量が増えるので、昔のように一時的にクーラーを止めることは無くなりました。一方で、昼間の発電量が需要を上回り、あえて太陽光発電を止めざる得ない場合も出てきました。
再生可能な発電を止めるというのは非常に勿体ない話であり、そのソリューションとして蓄電システムがあることをコラム(68)で述べました。そこでは３つの方式、すなわち、リチウムイオン電池、NaS電池およびレドックスフロー電池について解説しました。
原則、これらは大規模な産業用途の選択肢です。特に２番目、３番目は、たとえ集合住宅用であっても規模が大きく、今はまだ、戸建ての家庭用ソリューションにはなりません。
もちろん、クラウドコンピューティングのように大きな電池容量をシェアしながら使用することも、インフラが整ってくれば可能です。今はまだでも、いずれ採算が取れる状況になればそういうビジネスも出てくるでしょう。
さて、最後に残ったリチウムイオン電池については家庭用としての選択肢になりえます。具体的には２つの方式が考えられます。１つは住宅専用設備としての蓄電池であり、もう１つは電気自動車用の蓄電池の流用です。
ただし、スマホやパソコン用などと比べ、住宅用の蓄電池容量は何桁も大きいため、安全面での懸念があります。現有のリチウムイオン電池は電解質に有機溶媒を使用しており、内部損傷が起こるとショートを起こして火災に繋がるリスクが高いのです。
家庭用の設備というのは、故障しても重大事故につながらないモノであることが強く求められます。それも原則としてメンテナンスフリーの前提でです。そのため、火災が発生する危険が非常に小さい全固体電池（同じリチウムイオン系）への期待が高まってきています。
こういう話をすると、「なぜ、最初から安全な全固体のリチウムイオン電池を開発しなかったのか？」という疑問を持つ方がいるでしょう。しかし、リチウムイオン電池の歴史を振り返れば、それが無理な話だったことを分かっていただけるでしょう。
リチウムは固体である金属の中で、最もイオン化傾向が高い元素であり、電池にとって理想的な材料です。よって、昔から目を付けられており、1970年代には、ボタン型あるいはコイン型の１次電池として普及しました。今でも使われています。
金属リチウムは、最も効率よく電気を貯められる材料だったので、使い捨ての１次電池ではなく、充電して再利用できる２次電池にしたら便利だろうと考える人がいて、1980年代に市販化されました。
金属リチウムを負極に使用すると高性能の２次電池となるのですが、充放電を繰り返すと、負極表面に針状の突起が形成され、これが成長して正極に達するとショートして発火事故が起こります。この事故が多発して販売がストップされました。
この問題は未だに解決できないため、性能が最も高いと予想される、金属リチウムを負極に使用する蓄電池は使えず、次善のソリューションとして発見されたのが現在のリチウムイオン電池です。
ノーベル賞を受賞した吉野氏が開発したのは、負極にコバルト酸リチウム（以後、LiCoO2）、正極に炭素（後に黒鉛）を使用するリチウムイオン電池です。この発明は、安全性が高く、しかもエネルギー密度も高いため、携帯電話に採用され、普及が進みました。
技術上のポイントは、リチウムイオンを貯められる負極材と正極材の発見でした。歴史的には、吉野氏の前に、正極材にTiS2、負極材にLiCoO2という解が発見されていました。吉野氏の功績は、実際にLiCoO2と炭素を使って実用的な電池を発明した所にあります。
LiCoO2も黒鉛も層状の構造をしており、リチウムイオンがその層の間に入れるので、体積を維持して電気を貯めることができます。しかも、針状の突起が形成されないため、安全に繰り返し使用できるようになり、市販されるようになりました。
ただ、黒鉛正極が貯められる電気エネルギーは、リチウム金属負極の約１０分の１にすぎません。なお、上記のリチウムイオン電池において、火災リスクとなる有機電解質を使用せざるを得なかったのは、これ以外に、高速にリチウムイオンが移動できる電解質の選択肢が無かったからです。
この黒鉛正極、LiCoO2負極と有機電解質の組み合わせが実用的に優れていることは経験的に実証されましたが、当初、このメカニズムはよく理解されていませんでした。
そこで、なぜ、上記の組み合わせがうまく機能するのか、そのメカニズムの探求が行われました。いわば基礎研究です。しかし、その基礎研究の中で固体電解質の存在が発見され、それが全固体電池というコンセプトの出現につながったのです。
つまり、最初から全固体電池を開発しようと思い付いた人は居なかったのです。たまたま上手く行く方法が見つかり、その原因を丹念に追及した結果として出てきたアイデアだったのです。
歴史を振り返れば、何かの根本原因を調べているうちに、別の有用な概念を発見するという偶然は、ある確率でいつも起こっています。ですから、根本的な原因を追及することは進化のタネであり、挑戦する人だけが得られるご褒美なのです。
英語では、これを表す単語としてSerendipity（幸運な偶然を手に入れる力）というのがあります。これは、失敗を恐れず挑戦する人を表現していると考えられます。
話を戻します。黒鉛正極と有機電解質の組み合わせでは、最初の１回目の充電時に電解液が分解して電極の保護膜が形成されます。
この保護膜は電子は通さず、しかしリチウムイオンは通すので、電池と機能するわけですが、この保護膜こそ、固体電解質だったわけです。よって、有機電解質をこの固体電解質に置き換えれば、それが全固体電池になるということです。
では、ここから全固体電池の話に移りたいと思います。全固体電池には大きく2つに分類されます。いわゆる薄膜型と呼ばれる小型のものと、EVや家庭用蓄電池として期待されているバルク型です。
薄膜型は、前述の保護膜の延長線上で造ることができます。半導体を製造するイメージで捉えれば良いと思います。全固体電池の一番の問題は、固体電極（正極、負極）とその間にある固体電解質の間の界面における電気抵抗問題ですが、薄膜の場合には、面と面で接触させやすいので実用化が進みました。
安全性サイクルでも性能が落ちないことが実証されており、医療用やIoT用途に普及していくことでしょう。
一方のバルク型は、用途としてEVや家庭用蓄電池が見込まれるので、性能、耐久性に加え、安くなければなりません。性能面での課題としては、導電性の良い固体電解質の発見と、界面での電気抵抗を抑えることの両立です。
全固体電池の材料としては、硫化物系、酸化物系に加え、水素化物系やハロゲン系などがあります。ただ、メインストーリムは硫化物系と酸化物系です。常温における導電性は、硫化物系の方が酸化物系よりも1桁高く、リードが広がりつつあります。
耐久性は繰り返し使用しても性能が落ちないことですが、それと同じくらい重要なのが、日常的に想定される衝撃力を受けても電池性能が落ちず、安全であることです。
耐衝撃性は、一般的に材料に柔軟性があるものは高くなり、硬い材料はクラックが発生しやすいものは低くなる傾向にあります。酸化物は固いが脆く、硫化物系ではガラス系物質もあって、酸化物系と比べて柔軟性に優れています。
この柔軟性は、耐衝撃性だけでなく、電極と電解質の接触面積を増やすので、界面抵抗の低減にも効きます。材料としての導電性の高さもあり、硫化物系の圧勝かなと思いますが、欠点が1つあります。水に触れると、毒性のある硫化水素を出すことです。これは安全面で気になります。
一方の酸化物系は、硫化物に対して性能面等で色々と劣る所がありますが、安全性が高いというメリットがあります。硬くて脆いという問題については克服が必要ですが、一つの対策として導電性のある繊維を入れた複合材化が考えられるでしょう。
最後にコストが残りました。これについてはどう対応するのでしょうか？ 現在、ＥＶ用として研究開発が進められているは、基本的に、既存のリチウムイオン電池の全固体化です。
問題は負極に使用されるコバルトです。コバルトは、その生産量が少なく、しかも生産地が偏っている所に問題があります。リサイクルは当然だとしても、ＥＶの台数が増えた時に、安く消費者に提供できるのか疑問が残ります。
そういう意味で、原料の調達性に問題のない材料を使った全固体電池が最終的な勝者になるのではないかと思います。では、どんな材料ならば調達性に問題がないのでしょうか？
あくまでも個人的な見解ですが、ナトリウムイオン電池の全固体版というのが、持続可能性が高く、１つのソリューションになるかもしれないと思っています。
リチウムイオン電池と比べてエネルギー密度は下がるでしょうが、どこにでもある材料で大量のＥＶ用や住宅用の蓄電池の生産に耐えられるならば、走行距離が短くても、また、保存できる電力が多少減ったとしても、脱炭素を加速する製品に発展する可能性があるのではないでしょうか？
家庭用製品の消費者は、モノを買う時、これまでは機能・性能、耐久性、コスト（初期コスト、ライフサイクルコスト）を秤に掛けながら購入していたと思いますが、これからは環境性や脱炭素への貢献というファクターが加わりました。
業務用では、CO2の1トンあたりの価格というのが市場取引されるようになり、今後は、一般的な環境性とコストの間の定量的な関係性が定まってくるでしょう。例えば、1トンは数千円といった感じです。
もう少し先になるでしょうが、そのうち、サプライヤとの交渉についても、値段は下げるよりも、CO2排出量を下げる方を優先する企業が出てくるかもしれませんね。
家庭用製品については、まだまだ、環境性と経済性の間のトレードオフ係数（どちらに重みを置くか）は家ごとに違い、定まっていないと思います。極端に環境性を重視する家庭もあるでしょう。しかし、環境にもプラスで、しかも少しお得というメッセージが現実的で最も強力だと感じます。
具体例として、ある企業は、「当社はグリーン電力だけ供給する。当社を通して電気料金を支払うと、少し割高になるが、それを大きく上回るメリットを契約者に提供する」というサービスをしています。今後、類似のサービスや製品がどんどん増えてくるのではないでしょうか？