全固体電池で海外勢猛追「実用化後が勝負」東工大・菅野特命教授

菅野了次（かんの・りょうじ）氏

1956年生まれ。東京工業大学科学技術創成研究院全固体電池研究センター長・特命教授。同大名誉教授。神戸大学理学部助教授を経て2001年に東京工業大学大学院・総合理工学研究科教授。11年にトヨタ自動車との共同研究で有望材料である「超イオン伝導体」を発見した。2021年から現職。専門は固体化学、電気化学。

全固体電池の研究開発は今どのような段階でしょうか。

菅野了次特命教授（以下、菅野氏）：固体の電解質の素材を探す中でいくつか有望な材料が出てきて、基礎研究の段階では電池としての特性も良いと検証されています。そこから、産業界で電池に仕上げるプロセスの開発に入ったところです。基礎研究では、今ある材料からもう少し特性が良いものを求める研究を続けています。より高い電圧に耐えられるかどうか、（電極と電解質が接する）界面がきれいに密着し安定して動作させるためにどうしたらよいかなどを研究しています。

　自動車メーカーや国が進めるNEDO（新エネルギー・産業技術総合開発機構）のプロジェクトと連携して課題解決を進めています。実際に電池として仕上げる際に色々な課題が生じると、研究室にフィードバックが来ます。それに対して材料の組み合わせやつくり方などを提案しているところです。

全固体電池のメリットについて改めて教えてください。

菅野氏：まず、現在のリチウムイオン電池は液体の電解質の中に正極と負極が浸っている状態です。この電解質を固体に置き換えるので、1つの電池のパッケージに入れられる容量が増えてエネルギー密度が高まります。電解液の電池では、1つの電池セルを独立してつくって、それをまとめて1つのケースに入れる必要があるのですが、固体電池ではパッケージの中に電池セルをペタッと貼り付けて積層することができます。

　また、固体の特性として対応できる温度範囲も広がるので、安全性が高まります。既存の電解液の電池はセ氏60度が限界ですが、固体の場合は100度でも200度でも作動します。低温でも凍らずに作動します。安定性が高まって安全装置の簡略化にもつながります。EVバッテリーの炎上問題が取り沙汰される中、安全性の向上は不可欠です。

開発は今どのような方向性で進んでいますか。

菅野氏：固体の電解質に酸化物系の素材と硫化物系の素材を使うという、大きく分けて2つの方向で進んでいます。酸化物は抵抗が高いので小さなチップ型の電池製品になりそうです。一方で、硫化物は現行の電解液より抵抗が小さいので、リチウムイオン電池よりも良い電池になるのではと期待されています。硫化物系は主に車載向けの大型電池の開発で採用されています。

全固体電池の研究で海外勢猛追

2011年に菅野先生の研究グループが新たな固体電解質（超イオン伝導体）を発見したのがブレークスルーになりました。現在も日本は全固体電池で先行しているのでしょうか。

菅野氏：はい、先行していると言えます。日本は基礎研究の蓄積があり、産業界がいち早くその可能性に気づいて3大自動車メーカー（トヨタ自動車、日産自動車、ホンダ）の全てが開発をしている状況です。

　ただ、海外でも研究開発が活発になっており、特に米国、中国、韓国、英国、ドイツなどはものすごい勢いです。基礎研究を中心に国のプロジェクトが進んでいる国もあれば、ベンチャーを中心に開発している米国のような例もあります。欧州はもともと基礎研究に強く、自動車メーカーもあるので様々なプロジェクトが急速に進んでいます。また、液体を固体に置き換えるだけでなく、固体に適した電池の構成や製造プロセスの研究もあちこちで進み、基礎研究と入り交じってカオスな様相を呈しています。

全固体電池はリチウムイオン電池を代替する存在になるのでしょうか。

菅野氏：今のリチウムイオン電池はものすごく良い電池で、さらにエネルギー容量を上げるための新しい材料探しや、耐久性を向上させる研究が続いています。イタリアのボルタが約200年前に電池を発明し、その約50年後に鉛電池が世に出ました。鉛電池は今も車に1台必ず搭載され主力電源として使われています。電池はこれほど息の長いデバイスなのです。

　鉛電池に比べて容量がさらに10倍以上になったリチウムイオン電池は、1991年にソニーが初めて実用化しました。さらにそこから、性能や安全性を向上させて自動車に積めるまでに長い年月がかかった。長期間使うものなので、安全性や信頼性を確保するための開発にもそれだけ時間がかかりやすい。つまり、いったん新しい電池が出てくると50～100年は続き、なかなか置き換わらないのが電池の世界なのです。