全固体電池
全固体電池の固体電解質は電気分解反応を受けにくい為、高電位の酸化物や硫化物を正極活物質に利用できる。さらに金属リチウムのデンドライト成長も抑制する為、負極活物質に従来のグラファイトではなく全元素中で最低電位を示す金属リチウムを直接利用でき、飛躍的にエネルギー密度を向上させることが可能となる。
【リチウムイオン二次電池】
正極 : コバルト酸リチウム ⇄ 負極 : グラファイト
→エネルギー密度370Wh/kg (コバルト系:理論限界値)
【全固体電池】
正極 : 酸化物・硫化物 ⇄ 負極 : 金属リチウム
→エネルギー密度1440Wh/kg (硫化物系:理論限界値)
正極の酸化物・硫化物は原子価2の複雑な構造を取れる元素としては最も高い電位の部類にあり、多くのリチウムイオンを錯体として蓄える事が出来る。また負極の金属リチウムは従来のグラファイトにリチウムイオンを吸着させる構造と比べ10倍以上の理論エネルギー密度を有しており、全体的に見ても4倍程度の理論エネルギー密度となる。
電極を厚くしやすく、高容量の電池作製に向いている。活物質の厚みを確保出来る為、一般的なリチウムイオン二次電池より厚みがあり、電極面積辺りの容量も飛躍的に増やす事ができる。このバルク型は密閉性が高く基板上や過酷な表面実装用途に向いており、セラミックパッケージ型全固体電池として実用化されている。 また車載用途では高いエネルギー密度を有した厚型の電池を作製する必要がある為、活物質の厚さを確保できるバルク型全固体電池が期待されている。バルク型は大型化には向いているが、固体電解質に厚みが有るため、高いイオン伝導率と加工性を兼ね備えた固体電解質の開発が今後の性能向上のカギとなる。 薄膜型全固体電池 真空蒸着法やスパッタ法などの気相法を使い、真空の電極上に薄い膜状の電解質を積み上げて製造される全固体電池である。一般的に液体と比べてイオンの動きが遅い固体を電解質とすると、電池の内部抵抗は増大する。この内部抵抗を低減させるための手段に、電池を薄型化してイオン輸送距離を減らす方法がとられている。数万回の充放電にも耐える優れたサイクル特性を示し、全固体電池の大きな可能性を示している。薄膜型全固体電池は基板実装向け全固体電池としてコンデンサ用途に実用化されており、優れたサイクル寿命と広い作動温度範囲を実証している。
2017年、リチウムイオン二次電池の共同発明者であるジョン・グッドイナフが、ガラスの電解質と、安価なアルカリ金属の負極を用いた全固体電池を発表した。
2019年2月からTDKは基板実装向け全固体電池のサンプル出荷を月産3万個規模で開始。これに続いて国内の電子部品メーカーが相次いで、サンプル出荷を開始した。基板実装向け全固体電池はコンデンサ用途であり二次電池用途ではないが、2019年が全固体電池の本格的な量産開始の年となった。
2019年9月からマクセルは硫化物系アルジロダイト型固体電解質を用いた小型の全固体電池のサンプル出荷を開始、2020年11月には硫化物系固体電解質とバイポーラ電極を用いた高出力コイン形全固体電池の生産設備を小野事業所(兵庫県小野市)に導入し、2021年から量産を始めた。
2020年8月にトヨタは全固体電池を搭載した車両でナンバーを取得し、試験走行を行なった。続けて、BMW、ホンダ、現代自動車、日産、その他電子部品メーカーなども、全固体電池の実用化に向け研究開発を加速させている。
2021年内に村田製作所はウェアラブル端末用の全固体電池を量産開始するとし、複数社の産業機械に採用されたと明らかにしている。2022年度より量産開始。
負極には最低電位の金属リチウムを、陽極には原子価2では最高電位の酸化物・次いで硫化物を用いる事で、最大限の電位差を生み出し高いエネルギー密度を実現出来る。その上で固体電解質はリチウムイオンだけを通すシングルイオン導伝体として理想的なセパレーターの役割を果たし、高い耐熱性も待ち合わせている。その結果、全固体電池は高いエネルギー密度・高い安全性・長寿命・急速充電性能を両立した理想的な化学二次電池として機能する。また固体電解質の形状安定性からバイポーラ構造にも向いている。ただし、上記で述べた理想的なポテンシャルを引き出すには、物理的に長寿命かつイオン伝導率の高い固体電解質の実現がカギとなる。現在実用化されている全固体電池はその発展途上にあり、その中でも硫化物系固体電解質が今後の性能向上に注目が集まっている。電池の理想形であるが故に、これ以上の性能向上が見込める二次電池は限られてくる。フッ化物系固体電解質や全固体空気電池などがその候補として存在するが、技術的難易度はさらに高く、この辺りが化学二次電池の質量エネルギー密度の理論限界値にもなってくる。