全固体電池の注目メーカーとは？トヨタや日産のEV化で注目を集める全固体電池のメーカーを紹介

全固体電池とは？

これまで広く普及してきた電池の電解質は液体でしたが、全固体電池は電解質を固体にし、すべてを固体で構成しています。電解液は液漏れや発火の危険性があるため、固体の電解質を用いた、より安全な電池が求められています。全固体電池は安全性だけでなく耐久性や性能の面でも優れており、次世代バッテリーとしての期待が高まっています。

仕組みや構造はリチウムイオン電池とほぼ同じで、リチウムイオンが電解質を移動することで電気が流れます。リチウムイオン電池の電解液は可燃性の有機溶剤系のため、電池の温度が上昇すると発火する可能性があります。全固体電池は発火の危険性を小さくする一方で、固体の電解質中ではリチウムイオンが動きにくくなるデメリットもあります。そのため、電解液と同程度の伝導性を持つ材料の開発が進められており、中でもイオン伝導率の高い硫化物系が有力候補となっています。

全固体電池はリチウムイオン電池に取って代わることが有力視されているため、各国のバッテリーや電子部品メーカー、自動車メーカーによる熾烈な開発競争が繰り広げられています。日本のメーカーは素材などの最先端研究において先行しており、EV（電気自動車）用バッテリーのシェア争いでリードを許している中韓勢に対し、どこまで巻き返しができるかが注目されています。

全固体電池はEV車の電池として注目されている

全固体電池は、現在主流のリチウムイオン電池より優れた特性があるため、特にEV用バッテリーとしての期待が高まっています。日本をはじめ、世界中の自動車メーカーで、全固体電池の実用化に向けた開発競争が行われています。

理由1：安全性と耐熱性の高さ

リチウムイオン電池は、高温になると発火する危険性があることに加え、低温では充放電性能が劣化するなど作動温度範囲が狭く、温度管理が必要になります。EVの火災発生割合はガソリンエンジン車より低いですが、EVの発火原因はバッテリーがほとんどです。

全固体電池は、電解質を液体から固体に置き替えることで液漏れや発火リスクが低減し、耐熱性が向上するため、温度変化に強く、作動温度範囲が広くなるのが大きなメリットです。作動温度範囲が広くなることで耐久性も向上するため、過酷な状況でも使えるEVの動力として期待が高まっています。

イオン伝導率の高さから実用化の本命とされる硫化物系全固体電池については、交通事故で損傷しても硫化水素が発生しにくい安全な材料の開発が進められています。

理由2：航続距離の伸長や急速充電、長寿命化などが可能

リチウムイオン電池は温度管理をするための冷却装置を装備しますが、全固体電池では不要になるため、より多くの電池を搭載でき、航続距離の伸長が可能になります。また、リチウムイオン電池を急速充電する場合、電流を多く流すことでバッテリーが過熱して劣化につながります。全固体電池は高温に強いため、急速充電してもバッテリーが劣化しません。

また、リチウムイオン電池では、プラス極とマイナス極表面で電解液の分解反応が起こり、性能の低下につながります。さらに、電極活物質の溶解が引き起こす劣化により寿命が短くなりますが、固体電解質ではこれらの反応が継続しない、もしくは起こらないため、長寿命化が可能になります。

現在のEV車のバッテリーシェアは？

現在のEV用バッテリーの主流はリチウムイオン電池で、中韓勢メーカーがシェア争いで優位に立っています。2022年1～9月の世界のEV向けバッテリー市場において、シェア約35％で首位に立つのが中国の寧徳時代新能源科技（CATL: Contemporary Amperex Technology）で、続いて約14％の韓国のLG Energy Solution、4位にパナソニックが入り約8％と健闘していますが、日本メーカーは1社のみで、上位は中韓勢が占めています（韓国SNEリサーチ調べ）。

ホンダはEV用バッテリーを、中韓のメーカーから調達することを明らかにしています。日本市場向けにはNEC、日産の合弁会社としてのルーツを持ち、日系カラーが強いEnvision AESCから、北米市場向けにはLG Energy Solutionから、中国市場向けにはCATLから調達する計画です。ちなみに全固体電池については、20年代後半の実用化を目指しており、実用化できれば切り替えを進めるとしています。

電池メーカーからの調達だけでなく、自動車メーカーが自ら大規模投資をして、安定的な電池確保を目指す動きもあります。トヨタ自動車は日米で最大7300億円を投資し、2024～26年の生産開始を予定しています。ホンダはLG Energy Solutionと共同で約6100億円を投じて米国に工場を建設し、25年の量産開始を計画しています。日産自動車は、リチウムイオン電池メーカーのビークルエナジージャパンの買収を決め、スズキも約1500億円を投資してインドに工場を建設し、2026年の稼働を予定しています。

リチウムイオン電池の開発競争では、かつて日本の電池メーカーは世界をリードしていました。しかし、2000年代に遅れて参入してきた中韓勢メーカーの積極的な投資と開発スピードに圧倒され、現在では立場が一変してしまいました。日本の電池メーカーが今後も存在感を示すためには、既存の電池への積極投資だけでなく、次世代電池の実用化を見据えた戦略を持ち、人材を育成していかなければなりません。パナソニックなどが全個体電池の研究開発で新たな人材を募集しているように、次世代電池である全個体電池に関わる求人も増加傾向にあります。

全固体電池の開発で日本はシェアを巻き返せる

全固体電池の開発において、日本の電池メーカーが世界をリードできなければ、日本の電池産業全体にとって大きな痛手になるでしょう。かつて日本がリチウムイオン電池で先行できた理由は、共同開発できる様々な部材メーカーがあったからです。今でもそのような産業構造の優位性は維持しており、全固体電池の開発競争でも大きな役割を果たしています。

電子部品メーカーでは、IoT（モノのインターネット）機器やウェアラブル機器向けの小型全固体電池の量産が始まっています。日産自動車は、自社開発の全固体電池を搭載したEVを、2028年度までに市場投入すると表明しました。トヨタは、自社開発の全固体電池を搭載したHEV（ハイブリッド車）を2020年代前半に市場投入し、その後のEVへの展開を想定しています。ホンダも全固体電池の研究を独自に進め、2020年代後半の実用化を目指しています。

巻き返しには開発効率がカギ

2018年度には、NEDO（新エネルギー・産業技術総合開発機構）の先進・革新蓄電池材料評価技術開発（第2期）プロジェクトが始まりました。同プロジェクトの成果で生まれた電池を標準モデルとし、新しい電池材料を組み込んでいくことで開発期間の短縮が可能になります。標準モデル電池を用いた各メーカーによる開発効率化が、グローバルな開発競争に勝ち抜くために不可欠なのです。

また、2021年4月には、さまざまな電池メーカーと部材メーカー、自動車メーカー、総合商社、銀行が参加したBASC（電池サプライチェーン協議会）が発足しました。グローバル競争力の強化を目的とした政策提言などで、電池サプライチェーン全体での発展を狙います。日本政府も「グリーン成長戦略」を進めるなど、政府と産業界が一体となって取り組むことで、シェアの巻き返しを図ります。

全固体電池を扱う国内注目メーカー

出光興産

出光興産は、硫化物系固体電解質の大型量産実証を2024年に開始すると発表しました。290億円を投資し、千葉事業所に自動車約1万台分相当となる100トン規模の製造ラインを立ち上げ、自動車メーカーや電池メーカーに供給する計画です。

また、ベルギーのUmicoreと共同で、正極材料と固体電解質を融合した高性能材料を開発すると発表しました。出光興産は硫化リチウムを原料とする硫化物固体電解質の特許を多数保有し、Umicoreはリチウムイオン電池に必要な正極材料のリーディングカンパニーです。両社は共同で、全固体電池の実用化と普及への貢献を目指します。さらに、三井金属も硫化物系固体電解質の量産試験設備を導入するなど、同材料の開発で日本がリードしています。

TDK

TDKは世界に先駆けて、SMD（表面実装部品）タイプのオールセラミック全固体電池「CeraCharge（セラチャージ）」を製品化しました。同社の高度な積層技術をベースに開発し、小型で安全、長寿命、大量生産しやすいといった特長があります。サイズは4.5×3.2×1.1mm、定格電圧は1.5V、容量は100μAh、動作温度範囲は－20～＋80℃です。

さまざまなIoT製品への導入が検討されており、2020年12月には、デンマークのCookPerfectが開発した新製品の調理用温度計のバッテリーに採用されました。長さ約150mmの金属製スティックに、5つの温度センサーと通信モジュール、CeraChargeを搭載し、スティックを肉に突き刺すことで、調理中の肉の内部温度をスマートフォンでリアルタイムにモニタリングできます。

村田製作所

村田製作所は、携帯型電子機器向けに、蓄積可能な電力を最大限まで高める全固体電池の開発に挑戦しました。そして、長年培ってきた積層セラミックコンデンサー（MLCC）の技術を生かし、さらに独自の材料、プロセス、装置技術を用いることで、業界最高水準の性能を持つ全固体電池の開発に成功しました。

村田製作所が開発した全固体電池は、携帯型電子機器を作動させるために必要な電力を安定供給できるエネルギー密度を備え、安全性、耐熱性、不燃性に優れた独自の酸化物型のセラミック材料を採用しています。4×5×9mmの小型の電池の試作品で最大容量数10mAhの出力が可能なことを確認しており、ワイヤレスイヤホンなどの電源に利用できる性能を備えています。

マクセル

マクセルは2023年に、IoT機器やウェアラブル機器向けの硫化物系小型全固体電池の本格量産を計画しています。同全固体電池は、－50～＋125℃の広い作動温度範囲の高い耐候性が大きな特徴で、条件によってはほとんど劣化することがないため、半永久的に使用できるポテンシャルがあります。

硫化物系小型全固体電池の量産化は世界初とされ、1961年創業の同社が乾電池の製造で培ってきた技術が可能にしたといいます。これまで、電池交換のため数年ごとに手術が必要だったペースメーカーなど埋め込み型の医療機器や、電池交換が困難な深海や高山、宇宙空間などの極限環境でのセンシング技術などへの貢献が期待されます。

日産自動車

日産自動車は、自社開発の全固体電池の量産化に向けたパイロットラインを2024年度までに横浜工場内に設置し、2028年度までに全固体電池を搭載したEVの市場投入を目指しています。2022年4月8日には、全固体電池の積層ラミネートセルを試作生産する設備を初公開しました。同設備を横須賀市の総合研究所内に設置し、全固体電池の技術開発に活用します。
同設備では、パイロットラインで量産試作をする仕様の材料、設計、製造プロセスの検討を実施します。日産自動車は全固体電池のコストレベルについて、2028年度に1kWhあたり75ドル、その後はEVやガソリン車と同等の65ドルまで低減可能なポテンシャルがあると評価しています。

パナソニックエナジー

乾電池、産業用電池、車載用電池などのBtoB事業を手掛けるパナソニックエナジーも、全固体電池の開発を行っており、研究開発人材を募集しています。同社では、2025年以降に車載用途で試験的に評価を開始する予定となっているようです。

トヨタ自動車がEV車の作動に成功

トヨタ自動車は2021年9月7日に開催した「電池・カーボンニュートラルに関する説明会」で、全固体電池の開発状況について説明しました。その中で、2020年6月に全固体電池を搭載したEVによる試験走行を開始し、走行データを取得できる段階に到達したことを発表しました。さらに走行データを基に改良を加え、同年8月には同EVでナンバーを取得し、試験走行を実施したことも報告しました。また、同社はパナソニックとの合弁会社である、プライムプラネットエナジー&ソリューションズと共に全個体電池の共同開発を行っており、将来の量産化に向けて設備投資を進めています。

将来の電池コストについては、新型EV「TOYOTA bZ4X」との比較で、2020年代の後半に50％低減することを目標とし、電池の供給体制は180～200GWh以上を目指すと明らかにしました。また、開発中に分かったこととして、全固体電池の中でイオンが高速に動くため、高出力化が期待できる一方、寿命が短いという課題も見つかったといいます。課題解決のために、引き続き固体電解質の材料開発を続けると表明しています。

まとめ

次世代の電池として期待される全固体電池のポテンシャルの高さと同時に、EV用バッテリーとしての実用化が難しいことも理解できたのではないでしょうか。また、IoT機器など向けの容量の小さな小型全固体電池の量産はすでに始まっていますが、スマートフォンやノートパソコン用バッテリー向けなど、より大きな容量が求められる全固体電池は研究段階にあり、実用化の目途は立っていません。

この困難な状況は、技術力の高い日本のメーカーにとってチャンスでもあります。リチウムイオン電池のシェア争いでは中韓勢に水を開けられましたが、次世代電池として電池市場を席捲する可能性のある固体電池での巻き返しができるかが注目されています。

こうした状況の中、中途採用市場では、現時点で電池性能アップに向けた素材開発、全固体電池そのものの開発、量産を見据えた新規工法開発の採用ニーズが多数あります。素材メーカーでは、固体電解質や電極複合材料の設計、合成技術を保有する同業他社の方に加え、電池メーカーや完成品メーカー出身の電池評価が得意な方にも根強いニーズがあります。セル内部での反応、セルの安全性を正しく評価する技術を自社内でも構築する必要があるためです。

一方、電池・完成品メーカー側では、材料を使いこなす技術に長けた材料技術者に根強いニーズがあります。特に乳化、分散、塗布、積層、印刷といった技術のニーズが高く、異業界から積極的に採用しています。電池開発には驚くほど多数の技術が活用されており、意外なスキルが高く評価され、世界初の実績を生み出すことに貢献いただける可能性も高いです。まずは、ご自身のスキルをどう転用できるかを確認するために、転職支援会社などへキャリア相談してみることをお勧めします。

エンジニア専門の転職支援会社

メイテックネクスト

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