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全固体電池とは？全固体電池AS-LiB®の開発メーカーカナデビア（株）が解説目次
全固体電池とは？メリットや開発状況・市場予測について全固体電池は、液体電解質を固体材料に置き換えた新世代の電池です。
従来のリチウムイオン電池に比べ、高い安全性、長寿命といった多くのメリットを持っており、様々な分野で注目されています。 本記事では、全固体電池「AS-LiB®」の開発メーカーであるカナデビア株式会社が、全固体電池の特徴やメリット、開発状況、そして市場予測について詳しく解説します。 一般的な全固体電池とは？全固体電池は、従来のリチウムイオン電池と異なり、電解質として固体材料を使用する電池で、電解液を全く用いない固体材料のみで構成される電池です。全固体電池は、電解液を部分的に用いた半固体電池や固体電池と区別されます。以下に全固体電池の特徴とその利点を簡潔に説明します。
一般的な全固体電池の特徴
一般的な全固体電池の特性について容量，電圧難燃性の無機固体電解質を使用した全固体リチウムイオン電池は，化学的安定性や安全性が高いため，従来のリチウムイオン電池では電解液の分解や材料の電解液への溶出等の課題、または安全上の問題で使用できなかった高容量材料，高電圧材料を適用できる可能性があります。そのため、高容量化や高電圧化が可能となり、電池のエネルギー密度の向上にも期待がかかります。 寿命，劣化電解液を用いた従来のリチウムイオン電池等では、リチウムイオンの移動と同時に、陰イオンも移動するなど反応が複雑です．陰イオンが電極に堆積して全体的な反応を阻害するなど、正反応以外に副反応が多数生じるため、劣化要因が多数存在します。一方で、全固体リチウムイオン電池では、固体電解質の中で陽イオンとなるリチウムイオンのみが移動するため、相対的に反応がシンプルとなります。 結果的に副反応や劣化要因が少なくなるため、一般的に長寿命の電池系であるといわれています。 入力，出力，充電時間電解液を用いた従来のリチウムイオン電池では、リチウムイオンは溶媒をまとって移動するため、本質的に移動抵抗を持ち、黒鉛負極などの層状化合物へのインターカレーションを阻害すると言われています。一方で、固体電解質を用いた全固体リチウムイオン電池では、固体電解質の中で、リチウムイオンは自由に移動できるため、本質的にはとても速くリチウムイオンが移動することができると言われています． このため、全固体リチウムイオン電池には、入力密度や出力密度の向上、つまり急速充電や急速放電を期待する声もあります。 本質的には急速充放電が可能であると言えるものの、全固体リチウムイオン電池ではすべての反応が固体-固体界面（点接触）で生じることから、従来のリチウムイオン電池のような液体-固体界面（面接触）に近い理想的な反応界面を設計しなければ、急速充放電のポテンシャルは引き出せないことになります。 一般的な全固体電池のメリット・デメリットとは？一般的な全固体リチウムイオン電池のメリット全固全固体リチウムイオン電池は、従来の電解液系リチウムイオン電池と比較して多くのメリットがあります。 安全性の向上液漏れの心配なし全固体電池は電解液を使用しないため、液漏れのリスクがありません。これにより、電子機器の設計や運用において安全性や信頼性が大幅に向上します。特に医療機器や電気製品など、安全性が求められる製品に適しています。また、可燃性で有害な液体の液漏れによる火災や健康被害のリスクも低減されます。 発火リスクの低減固体電解質は難燃性であるため、発火、発煙や破裂のリスクが従来のリチウムイオン電池に比べて大幅に低減されます。特に高温環境や衝撃に対して安全性が高いため、航空宇宙機器や電気自動車など、安全性が最優先される用途において有利です。可燃性ガスの発生なし全固体電池は発熱による可燃性ガスの発生がなく、発火、発煙や破裂のリスクがありません。これにより、過酷な環境下でも安全に運用でき、軍事用途や極地探査などでの信頼性が向上します。耐久性の向上長寿命全固体電池は劣化が少なく、長寿命を実現できる可能性があります。固体電解質は化学的に安定であるため、充放電サイクル数が増加し、長期間の使用が可能です。これにより、メンテナンスコストの削減にもつながります。 また、固体電解質はリチウムイオンのみを移動させる物質です。そのため、副反応が抑制され、劣化の少ない長寿命な電池が実現可能になります。 高温・低温耐性全固体電池は広範な温度範囲で安全に動作し、特に高温環境下での性能が優れています。これにより、航空宇宙や砂漠や火山など極地での使用が期待されます。また、寒冷地でも性能が維持されるため、幅広い用途での適用が可能です。高エネルギー密度の可能性全固体電池はリチウムイオン電池よりも高いエネルギー密度を実現できる可能性があり、技術が進展することで高性能な電池となることが期待されます。 これにより、スマートフォンやノートパソコンの使用時間が延長され、消費者の利便性が向上します。 さらに、ドローンやウェアラブルデバイスなど、軽量性やコンパクト性が求められる新興分野での応用も期待されています。 一般的な全固体電池のデメリット全固体電池には多くのメリットがある一方で、従来の電解液系リチウムイオン電池と比較していくつかのデメリットも存在します。 製造コストが高い全固体電池は、現時点では製造コストが従来のリチウムイオン電池に比べて高くなっています。これは、大量生産技術がまだ確立されていないためで、コスト削減が普及の鍵となります。特に、全固体電池特有の材料や製造設備が必要なため、 初期投資が大きく、商業化へのハードルが高いのが現状です。 技術的な課題電極と固体電解質の接触抵抗固体電解質と電極の界面での抵抗が大きく、これがイオン伝導や電子伝導を妨げる要因となっています。この問題を解決するためには、材料の最適化と製造技術の向上が必要です。特に、界面の接触抵抗を低減する技術が求められます。 エネルギー密度の課題現時点ではリチウムイオン電池と同等のエネルギー密度を実現できていないのが現状です。固体電解質の性能向上と高密度電極の開発が進めば、全固体電池の高エネルギー密度化が促進され、軽量化や小型化が進み、様々な応用分野での利便性が高まります。温度依存性全固体電池の固体電解質は低温下でのイオン伝導性が低下するため、これが性能に影響を与えることがあります。低温環境での性能向上には固体電解質材料の改良や、電極と固体電解質の接触抵抗低減が必要です。また、高温環境での安定性も確保する必要があります。全固体電池はまだ多くの技術的課題が残されていますが、これらの課題が解決されることで、全固体電池の普及とともに、より安全で効率的なエネルギーソリューションとしての活用が期待されます。 一般的な全固体電池とリチウムイオン電池との比較 まとめ
一般的な全固体電池に期待される用途とは？一般的に想定されている全固体電池の用途について解説します。 ▼想定される用途
航空宇宙全固体電池は状態変化する材料を用いないため、真空状態で温度変化が激しい宇宙環境や気圧が変化する航空分野で高い安全性と安定性を提供できる可能性があります。
まだ研究開発段階ですが、将来的に重要な役割を果たすと期待されています。 ドローン市場全固体電池は高エネルギー密度と少ない副反応の実現により、ドローンの長時間飛行を実現する可能性があります。また、開発段階ではありますが、墜落時の安全性も期待されています。
ウェアラブルデバイス市場全固体電池はデバイスの小型化とバッテリー持続時間の延長に寄与する可能性があります。安全性が重要なウェアラブルデバイスに最適であるため、今後の開発に期待が寄せられています。
軍事・防衛市場野営中の電源として、可搬性や高エネルギー密度、安全性の面から全固体電池が期待されています。実用化に向けた研究が進んでいます。
無停電電源装置(UPS)市場全固体電池は高い充電保管特性、信頼性、長寿命の点で注目されており、バックアップ用電源としても期待されています。現段階から研究・開発が進められています。
ポータブル電子機器全固体電池はスマートフォンやノートパソコン、タブレットの薄型化と軽量化を実現する可能性があります。高い安全性と長寿命性も期待されており、開発が進行中です。
医療機器ペースメーカーや携帯型医療機器において、全固体電池は安全性と小型化の利点があり、デバイスの設計自由度が高まると期待されています。現在は開発段階にありますが、将来の応用が期待されています。
一般的な全固体電池の市場と今後の可能性とは？市場規模の予測全固体電池の市場は、急速に拡大すると予測されています。 市場調査によると、全固体電池の市場規模は今後数年間で大幅に拡大する見込みです。 2020年代半ばから後半にかけては、商業化と大規模な量産が進むことで市場が急成長することが期待されています。 実用化・量産化を目指して各社開発中現在、多くの企業が全固体電池の実用化を目指して開発を進めています。
素材メーカーをはじめ、自動車メーカー、スタートアップ企業などでも日々開発と研究が進められています。 一部の用途や業界では、実用化が進行中全固体電池は、まだ多くの分野で実用化されているわけではありませんが、一部の用途や業界では、すでに実用化が進んでいます。 例えば、小型電子機器や医療機器など、高性能かつ安全な電池が求められる分野では、全固体電池の採用が進んでいます。 カナデビア（株）の全固体電池AS-LiB®について全固体電池AS-LiB®独自の製造方法一般的な硫化物系全固体電池は従来の電解液系リチウムイオン電池の製造方法と同じ塗布式製法を採用しており、有機溶媒を用いた原料のスラリー化、集電体への塗布、電極や固体電解質シートの乾燥、加圧、積層といった工程を経て電池を形成します。 この製法は、既に確立されたものである一方、乾燥によって有機溶媒を除去した後に空隙ができてしまい、粒子間の界面形成を阻害するため、電池性能が低下する要因となります。 このような構造の全固体電池は充放電時に電池を締め付けるための機械的加圧（拘束治具）が必要であり、全固体電池製品化への大きな障壁の一つとなっています。 そこで当社は塗布方式を採用せず、有機溶媒等液体を一切使用しない乾式による全固体電池の製造方法を開発しました。 当社が得意とする、成膜技術、粉体加工技術、加圧成形技術を用いて、原料粉体を溶媒を用いずに成膜し、均一に加圧成形することで、完全に乾式で電極層や固体電解質層を形成することが可能となりました。有機溶媒の乾燥プロセスがないため、電極内に空隙が残存することがありません。 これにより、電池動作時でも拘束治具のような機械的加圧を用いることなく、全固体電池を動作させることに成功しました。  燃えない、液漏れしない、安全性の高い全固体電池AS-LiB®AS-LiB®は従来のリチウムイオン電池と異なり、電解液を使用しないため、液漏れの心配がありません。 また、従来の電池が可燃性電解液を使用していたのに対し、AS-LiB®は難燃性の固体電解質を採用しているため、発火や爆発のリスクが低く、安全性が高いことが特徴です。 さらに、発火や発煙、破裂のリスクが低いことが実証されており、AS-LiB®1000mAhセルの釘刺し試験においても、発火や発煙、破裂などのイベントは起こらず、AS-LiB®の温度上昇は30℃程度に留まっています。これにより、AS-LiB®は非常に安全で信頼性の高い次世代電池であることが確認されています。  環境への影響が少ないVOC排出の低減全固体電池は製造過程で溶媒を使用しないため、揮発性有機化合物（VOC）の排出が少なく、環境負荷の低減が期待されます。これにより、環境規制が厳しい地域や産業での採用が進むことが予想されます。全固体電池AS-LiB®の製品ラインナップ
AS-LiB®は上記のとおり、様々な容量タイプがあります。 今後は、高容量化・高エネルギー密度化に向けて、開発を進めています。 全固体電池AS-LiB®の特殊環境での用途全固体電池AS-LiB®は高温・低温・真空環境でも安全に使用できる特長を有しています。 そのため、半導体製造装置等の産業機械、航空宇宙機器、医療機器などへの用途展開を行っています。 ▼想定用途
全固体電池AS-LiB®の用途事例紹介AS-LiB® 55mAhセルの用途事例紹介
半導体製造装置向けウエハー型温度測定器「WAFER LOGGER(開発中)」は、シリコンウエハー上に直接回路を実装し、ケーブルなしで温度を計測、記録できるものとなっております。
AS-LiB®を適用することにより、より過酷な環境（高温、低温、真空）での動作、測定が可能となります。 AS-LiB®140ｍAhセルの用途事例紹介航空宇宙機器への使用（高低温）カナデビア株式会社の全固体電池AS-LiB®は揮発成分を最低限に抑えた電池構成を実現し、真空環境でも大きく膨張することがありません。 2022年に国際宇宙ステーション（ISS）に向けてAS-LiB®を搭載した全固体電池軌道上実証装置（Space AS-LiB）を打ち上げ、その後世界で初めて宇宙暴露環境（1.0×10-5 Pa）で全固体リチウムイオン電池の充放電が可能であることを確認するとともに、1年以上にわたる長期の充放電サイクル運用を達成することができました。 関連記事 JAXAと日立造船との共同研究 世界初、宇宙での全固体リチウムイオン電池の充放電機能を確認
【本実証実験で使用した全固体リチウムイオン電池の概要】 カナデビアが開発した全固体リチウムイオン電池 サイズ：65mm×52mm×2.7mm 質量：25g 容量：140mAh（15セル並列接続により約2.1Ahの電源として使用） カナデビアの全固体電池AS-LiB®の認証状況について140ｍAhセルでは、UL認証(UL62133)も取得済であり、UN38.3試験も実施済です。 いずれの試験でも発火・破裂等のイベントは起こらず、合格しています。 なお、将来的には高容量タイプのセルでも安全性試験を行う予定です。 カナデビア（株）の全固体電池メーカーとしての役割近年、エネルギー分野での革新が求められる中、全固体電池はその高い安全性と効率性から注目を集めています。 カナデビアは、全固体電池市場において革新的な技術を提供するリーダー企業として、その最先端製品「AS-LiB®」を開発しました。 AS-LiB®の特長とカナデビアがこの分野で果たす役割についてご紹介します。 カナデビア（株）の技術力カナデビアは、全固体電池の研究開発において豊富な経験と高い技術力を有しています。 AS-LiB®の開発においては、材料の選定から製造プロセスの最適化まで、全ての工程で革新的なアプローチを取り入れています。 特に、電極層や固体電解質層の均一性を確保する技術や、電極と電解質の接触抵抗を低減する技術において、他社に先駆けた成果を挙げています。 さらに、カナデビアは、AS-LiB®の大規模生産に向けた設備投資検討を進めており、将来的にはコストの削減と市場拡大を目指しています。 また、産業界との連携を強化し、様々な企業との協力を通じて、全固体電池の普及を加速させる計画です。 社会的貢献と持続可能な未来カナデビアは、全固体電池AS-LiB®を通じて、安全で効率的なエネルギーソリューションを提供し、持続可能な社会の実現に貢献しています。 AS-LiB®の普及により、再生可能エネルギーの活用が進み、二酸化炭素排出量の削減にも寄与することを目指しています。 カナデビアの全固体電池AS-LiB®は、その優れた特性と高い技術力により、エネルギー分野での新たなスタンダードを築き上げる存在です。 今後も、革新的な技術開発を続け、安全で持続可能なエネルギー社会の実現を目指して邁進してまいります。 |
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全固体リチウムイオン電池のメリットデメリットを電解液系リチウムイオン電池との比較で解説 執筆者
カナデビア株式会社 開発本部 電池事業推進室
機械加工技術を活用した独自の製造方法によりAS-LiB®（All-Solid-state Lithium-ion Battery)を開発しました。 |
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