全固体電池は、リチウムイオン電池と構造が似ているが、異なる電池技術で、リチウムイオン電池では、電極（正極と負極）の間にある電解質に可燃性の有機溶媒（液体）を使用しているが、全固体電池では固体の電解質を使っている。
電解質が固体となることで、リチウムイオン電池と比べると、発火や爆発のリスクが低く、長寿命、高いエネルギー密度、高い出力密度など高性能です。また、全固体電池は環境温度の変化による内部劣化も少ない特性を持ちます。一方、リチウムイオン電池は電解質が可燃性液体のために高温での安全性に懸念があります。また、低温環境では充放電性能が劣化します。これらの特徴から、全固体電池は、特にEVのバッテリーとして期待されている。
新しい全固体リチウム電池は、標準的なリチウムイオン電池の約2倍のエネルギーを蓄えることができるだけでなく、現在の市販品のように発火する心配もなく、この斬新なプロトタイプの成功の秘密はバッテリーの通常の電極のひとつを取り除くことが、新しい研究で明らかになった。
従来の電池は、負に帯電した負極と正に帯電した正極という2つの電極間の化学反応によって電気を供給している。一般的なリチウムイオン電池の電極は、電荷を帯びたリチウムイオンを蓄えたり放出したりできる構造の物質でできている。負極はグラファイトで構成されることが多く、正極は金属酸化物であることが非常に多い。これらの電極材料は、発生した電流を集める金属箔の上にコーティングされ、負極ではこの金属は銅であることが多く、正極ではアルミニウムであることが多い。リチウムイオン電池の電極は通常、液体またはゲル電解質を介して相互作用する。代わりに、全固体電池はセラミックなどの材料でできた固体電解質を採用している。
固体電解質は、液体電解質やゲル電解質よりもコンパクトである。つまり、全固体電池は従来の電池よりも、同じ重量やスペースでより多くのエネルギーを生み出すことができる。加えて、全固体リチウム電池は、一般的に可燃性の有機液体電解質を使用する従来のものよりもはるかに安全である。
安定した有用な全固体電池を作る最良の方法については、まだ不明な点が多い。例えば、以前の研究では、硫化物をベースとする固体電解質が、多くのエネルギーを貯蔵できる電池の製造に役立つことがわかった。しかし、これらの電解質に含まれる硫化物は両方の電極と反応し、電池内の電気の流れを妨げる化合物を生成する可能性がある。
科学者たちが全固体電池の改良を試みている方法のひとつは、従来のグラファイト負極を銅箔集電体のみに置き換えることである。この戦略によって、これらの電池が保持できるエネルギー量を大幅に増やすことができる。「テキサス大学オースティン校の材料科学者で、この研究の上席著者であるデビッド・ミトリンは言う。より少ない材料を使用することで、コストも削減できるとミトリン氏は言う。
しかし、無負極の全固体電池の研究が直面している重要な課題は、放電と充電のサイクルを安定的に繰り返すという問題である。今回、研究者たちは新しい研究で、新しいコーティングがこの問題を克服する可能性があることを示した。
科学者たちは、硫化物系固体電解質を用いた無負極の全固体電池で実験を行った。その銅集電体を極薄のリチウム活性テルルでコーティングすることを検討した。その目的は、リチウム金属が銅全体に広がる、あるいは銅を "濡らす "方法を制御することであった。研究者たちは、この新しいコーティングが、リチウム金属が薄く均一な層で銅集電体から析出・溶解するのを助けることを発見した。
この新しいコーティングがない場合、研究者たちは、充電と放電中に銅箔が不規則な微細構造で覆われることを発見した。これにはトゲトゲの樹状突起が含まれ、「負極と正極の間でバッテリーの短絡を引き起こし、バッテリー火災を引き起こす可能性がある」とミトリン氏は言う。また、バッテリーの性能を妨げる「死んだ金属」の塊やハニカム状の物質も含まれる。「内部が厚い錆の層に覆われたエンジンのようなものです」と彼は言う。
新しいバッテリーは、市販のリチウムイオンバッテリーよりも重量で72％、体積で95％も多くのエネルギーを保持することができる。研究者たちは、標準的な製造技術で銅集電体に新しいコーティングを施すことができると述べている。これにより、この新しい電池の生産規模を拡大することが容易になると研究者たちは付け加えている。「これらの発見は、無負極・全固体電池を広く実用化するための重要なミッシングリンクとなるかもしれません」とミトリン助教は言う。
しかし、この研究は、無負極全固体リチウム電池の重大な問題のひとつを解決するものではあるが、実際に市場に投入するためには多くの開発が必要である、とミトリン氏は注意を促している。「アノードフリーの全固体リチウム電池を、実験室規模からプロトタイプ規模、さらには自動車規模にまで発展させるには、まだ膨大な作業が必要です」と彼は言う。
注1）「全個体電池」については多くのサイトで紹介されています。
例えば、“A Roadmap for Solid-State Batteries”（Thomas Schmaltz, Felix Hartmann, Tim Wicke, Lukas Weymann, Christoph Neef, Jürgen Janek （First published: 09 October 2023）については、
＜https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.202301886＞を参照して下さい。