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はじめに：「電池」が変われば、世界が変わる
スマートフォン、ノートパソコン、ワイヤレスイヤホン、そして電気自動車（EV）。私たちの暮らしは、今や「電池」なしには成り立ちません。
その中心にあるのが、2019年にノーベル化学賞の対象にもなったリチウムイオン電池です。軽くてたくさんの電気をためられるこの電池は、私たちの生活を大きく変えました。しかし、EVが普及するにつれて、「充電に時間がかかる」「一度の充電で走れる距離が短い」「まれに発火することがある」といった課題も見えてきました。
そこで、次世代の電池の本命として世界中で開発競争が繰り広げられているのが「全固体電池」です。「EVの弱点を解決する夢の電池」とも呼ばれるこの技術は、いったい何がすごいのでしょうか。
この記事では、全固体電池の仕組みからリチウムイオン電池との違い、期待されるメリット、実用化に向けた課題、そして最新の動向までを、専門知識がない方にもわかるように解説します。
第1章：そもそも電池はどうやって電気をためるのか
1-1. 電池の基本は「3つの部品」
全固体電池を理解するために、まずはリチウムイオン電池の仕組みを簡単に見ておきましょう。電池は大きく分けて、次の3つの部品でできています。
- 正極（プラス極）：リチウムを含む金属の化合物でできています。
- 負極（マイナス極）：主に黒鉛（グラファイト）でできています。
- 電解質：正極と負極のあいだで、リチウムイオンを運ぶ通り道です。
1-2. リチウムイオンが「泳いで」行き来する
充電するときには、リチウムイオンが正極から負極へと移動し、負極にためこまれます。電気を使うとき（放電）には、その逆に、リチウムイオンが負極から正極へと戻っていきます。このとき、外の回路には電子が流れ、私たちはそれを電気として使っているのです。
従来のリチウムイオン電池では、この電解質に可燃性の有機溶媒（液体）が使われています。リチウムイオンは、いわば「液体のプールを泳いで」正極と負極のあいだを行き来しているのです。
第2章：全固体電池とは？
2-1. 電解質を「固体」に置き換えた電池
全固体電池とは、その名のとおり、電解質を液体から固体に置き換えた電池です。正極・負極・電解質のすべてが固体でできているため、「全固体」と呼ばれます。
先ほどの例えでいえば、リチウムイオンが「液体のプールを泳ぐ」のではなく、「固体の中に用意された通路を通り抜ける」ようなイメージです。かつては「固体の中をイオンが速く動くのは難しい」と考えられていましたが、液体と同じくらい、あるいはそれ以上にイオンを速く通す固体の材料が見つかったことで、実用化への道が大きく開けました。
2-2. リチウムイオン電池との違い
| 項目 | 従来のリチウムイオン電池 | 全固体電池 |
|---|---|---|
| 電解質 | 液体（可燃性の有機溶媒） | 固体（セラミックスなど） |
| 発火・液漏れのリスク | まれにある | 大幅に低くなると期待される |
| 高温・低温への強さ | 温度管理が必要 | 幅広い温度で使いやすいと期待される |
| 急速充電 | 熱の問題などで制限がある | より高速な充電が期待される |
| 実用化の状況 | 広く普及 | 小型品の一部で実用化、EV向けは開発中 |
第3章：全固体電池の4つのメリット
メリット1：燃えにくく、安全性が高い
従来のリチウムイオン電池の発火事故の多くは、電池が傷ついたり、過熱したりしたときに、可燃性の液体の電解質が燃え広がることで起こります。全固体電池では、燃えにくい固体の電解質を使うため、発火や液漏れのリスクを大きく下げられると期待されています。
メリット2：充電が速くなる可能性
急速充電をすると、電池は熱を持ちます。液体の電解質は熱に弱いため、充電の速さには限界がありました。熱に強い固体の電解質を使えば、より大きな電流で充電できるようになり、EVの充電時間を大幅に短くできる可能性があります。メーカーの中には、「10分程度で充電できる」ことを目標に掲げているところもあります。
メリット3：たくさんの電気をためられる可能性
全固体電池では、液体の電解質で必要だった安全のための部品を減らしたり、電池をすき間なく積み重ねたりしやすくなります。さらに将来的には、負極にリチウム金属のような、より多くの電気をためられる材料を使える可能性もあります。これにより、同じ大きさでも走れる距離を伸ばせると期待されています。
メリット4：長持ちしやすい
液体の電解質は、充電と放電を繰り返すうちに少しずつ分解し、電池の劣化の原因になります。固体の電解質は化学的に安定しているものが多く、電池が長持ちしやすいと考えられています。
第4章：主役は2種類――「硫化物系」と「酸化物系」
全固体電池に使われる固体電解質には、主に2つのタイプがあります。
| タイプ | 特徴 | 主な用途の想定 |
|---|---|---|
| 硫化物系 | リチウムイオンを非常に速く通す。柔らかく加工しやすい。一方で、水分と反応して有害な硫化水素が出るおそれがあり、製造時の管理が難しい。 | EVなどの大型電池 |
| 酸化物系 | 化学的に安定で安全性が高い。一方で、硬くて部品どうしを密着させにくく、大型化が難しい。 | 小型の電子機器、ウェアラブル機器など |
このほかにも、ポリマー（樹脂）系や、硫化物と酸化物の長所を組み合わせた新しい材料など、さまざまな研究が進められています。
第5章：実用化を阻む3つの壁
これほどメリットの多い全固体電池が、なぜまだEVに広く使われていないのでしょうか。そこには、大きく3つの課題があります。
壁1：固体どうしをくっつけ続ける難しさ（界面の問題）
液体の電解質は、正極や負極のすき間に入り込み、ぴったりと接することができます。しかし固体どうしでは、表面にわずかなすき間ができやすく、そこではリチウムイオンが通れません。さらに、充電と放電を繰り返すと電極がわずかに膨らんだり縮んだりするため、せっかくくっついていた部分がはがれてしまうこともあります。この「界面」をいかに安定させるかが、最大の技術的な課題のひとつです。
壁2：デンドライト（樹状結晶）の問題
負極にリチウム金属を使う場合、充電を繰り返すうちに、リチウムが木の枝のような形（デンドライト）に成長し、固体電解質を突き破ってショートを起こすことがあります。「固体なら突き破られない」と考えられていた時期もありましたが、実際には固体の小さな割れ目に沿って成長することがわかってきました。
壁3：量産とコスト
固体電解質の材料は、まだ高価なものが多く、特に硫化物系は水分を嫌うため、乾燥した特別な環境で製造する必要があります。研究室で性能の良い電池をつくることと、品質をそろえて安く大量につくることのあいだには、大きな隔たりがあるのです。
第6章：最新動向――日本は巻き返せるか
6-1. すでに使われている小型の全固体電池
実は、全固体電池はすでに一部で実用化されています。電子部品メーカーなどが、酸化物系の小型の全固体電池を製品化しており、ウェアラブル機器や小型のセンサー、産業機器などに使われ始めています。
6-2. EV向けの開発競争
EV向けの大型の全固体電池では、日本の自動車メーカーが早くから研究に取り組んできました。トヨタ自動車は、出光興産と硫化物系の固体電解質の量産に向けて協業することを発表し、2027〜28年ごろの実用化を目指すとしています。日産自動車なども、2020年代後半の実用化に向けた計画を明らかにしています。
海外でも、韓国・中国・アメリカ・ヨーロッパの電池メーカーや自動車メーカー、スタートアップ企業が開発を加速させており、激しい競争が続いています。ただし、こうした目標時期は計画であり、実際の量産や普及の時期は今後の技術開発やコストの状況によって変わる可能性があります。
6-3. 「半固体電池」という選択肢
全固体電池の実用化までのつなぎとして、電解質の一部を固体やゲル状にした「半固体電池」の開発・製品化も進んでいます。安全性や性能を従来の電池より高めつつ、既存の製造設備を活かしやすいのが特徴です。
第7章：全固体電池は私たちの暮らしをどう変えるか
- EVがもっと身近に：充電時間が短くなり、走れる距離が伸びれば、ガソリン車と同じような感覚でEVを使えるようになるかもしれません。
- スマートフォンや家電の安全性向上：発火の心配が少ない電池は、身につける機器や子ども向けの製品にとっても大きな安心材料です。
- 再生可能エネルギーの普及：太陽光や風力でつくった電気をためておく「蓄電池」としての活用も期待されています。
- 空飛ぶクルマや医療機器：軽くて安全な電池は、新しい乗り物や体内で使う医療機器の可能性も広げます。
第8章：リチウムイオン電池が生まれた物語
全固体電池のすごさを知るために、少し時間をさかのぼって、今の主役であるリチウムイオン電池の誕生の物語を見てみましょう。
1970年代、石油危機をきっかけに、新しいエネルギーの研究が世界中で進められました。その中で、アメリカの研究者スタンリー・ウィッティンガムは、リチウムを使った充電式の電池の原型をつくりました。しかし、この電池には、発火しやすいという大きな問題がありました。続いて、同じくアメリカの研究者ジョン・グッドイナフが、正極にコバルト酸リチウムという材料を使うことで、より高い電圧を生み出せることを発見します。
そして1985年、日本の化学メーカー・旭化成の研究者だった吉野彰さんが、負極に炭素材料を使うことで、安全で、くり返し充電できる電池の原型を完成させました。この電池は、1991年にソニーによって世界で初めて製品化され、その後、携帯電話やノートパソコンの普及を支えることになります。
2019年、この3人は、ノーベル化学賞を受賞しました。授賞の理由は、「充電可能な世界をつくった」こと。リチウムイオン電池がなければ、今のスマートフォンも、電気自動車も存在しなかったでしょう。全固体電池は、この偉大な発明を、さらに次の段階へ進めようとする挑戦なのです。
第9章：スマホの電池を長持ちさせるコツ
電池の仕組みを知ると、毎日使っているスマートフォンの電池を長持ちさせるヒントも見えてきます。リチウムイオン電池は、使い方によって、劣化の進み方が大きく変わるのです。
まず大切なのは、熱を避けることです。電池は高温に弱く、充電しながらゲームをする、布団の上で充電する、直射日光の当たる場所に置くといった使い方は、劣化を早める原因になります。また、電池残量が0％になるまで使い切ったり、100％の状態で長時間充電し続けたりすることも、電池に負担をかけるとされています。最近のスマートフォンには、充電を80％程度で止めたり、使う時間に合わせて充電の速さを調整したりする機能がついているものもあるので、活用してみましょう。
こうした工夫は、電池を長く使えるだけでなく、電池の交換や買い替えを減らし、資源を大切にすることにもつながります。
よくある誤解と疑問（Q&A）
Q1. 全固体電池は絶対に燃えないのですか？
A. 液体の電解質に比べて燃えにくいのは確かですが、電極の材料などは燃える可能性があり、「絶対に燃えない」わけではありません。安全性は大きく向上すると期待されていますが、適切な設計や管理は引き続き必要です。
Q2. 今のスマートフォンにも使われていますか？
A. 一般的なスマートフォンのメインの電池には、現在も従来のリチウムイオン電池が使われています。小型の全固体電池は、主にウェアラブル機器や電子部品の一部などで使われ始めている段階です。
結論：「液体を固体に」という小さな変化が生む大きな未来
全固体電池は、電解質を液体から固体に変えるという、一見すると小さな変化から生まれた技術です。しかしその変化は、安全性、充電時間、航続距離といった、EVや電子機器が抱えてきた課題をまとめて解決する可能性を秘めています。
もちろん、固体どうしの界面の問題やコストなど、乗り越えるべき壁はまだ残っています。それでも、世界中の研究者や企業がしのぎを削る今、全固体電池が私たちの暮らしの当たり前になる日は、そう遠くないのかもしれません。
次に新しいEVのニュースを目にしたときは、その「中身の電池」にも、ぜひ注目してみてください。
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