次世代電池や全固体電池の技術動向に関心を持つ技術者や事業企画担当者であれば、固体電解質の理解は不可欠である。安全性やエネルギー密度の向上が期待される一方で、材料選定や量産化には依然として高いハードルが存在するためだ。
本記事では、固体電解質とは何かという基礎から特性やメリット、代表的な固体電解質材料の種類、実用化に向けた課題を解説する。また、研究開発を進める主要な固体電解質企業の動向にも触れたい。
目次
固体電解質とは？
固体電解質とは、固体状態でありながら内部をイオンが移動できる物質の総称である。一般的な電池では電解液と呼ばれる液体がイオンの通り道を担うが、固体電解質はその役割を固体材料が担う点に特徴がある。
電子は通さず、リチウムイオンなど特定のイオンのみを選択的に伝導させる性質を持つため、電池内部で正極と負極を電気的に絶縁しつつ、電荷の移動を可能にする。代表例としては硫化物系、酸化物系、高分子系などがあり、結晶構造中の空孔やイオンが移動できる経路が高いイオン伝導性を生む。
とくに全固体電池では可燃性の液体電解液を使わないため、安全性向上や高エネルギー密度化が期待されている。一方で、電極との界面抵抗や加工性など、材料ごとの技術課題も存在する。
イオン伝導体との関係
イオン伝導体とは、内部でイオンを移動させることができる物質の総称である。
重要なのは、電荷を担う主体が電子ではなくイオンである点であり、電子伝導体とは区別される。イオン伝導体には固体電解質だけでなく、リチウムイオン電池に用いられる電解質溶液のような液体やゲル状材料も含まれる。
したがって概念上は、イオン伝導体という全集合の中に、液体電解質（電解液）という一群と、固体電解質という一群が存在する構造になる。固体電解質は、その中でも固体状態で高いイオン伝導性を示す材料を指す。
近年は全固体電池への関心が高まっているため、文脈によっては固体電解質を指してイオン伝導体と表現する場合もあるが、厳密には固体電解質はイオン伝導体の一部に位置づけられる概念である。
超イオン伝導体は「液体並み」の固体電解質
超イオン伝導体とは、固体でありながら液体電解質に匹敵するほど高いイオン伝導性を示す材料である。
一般的な固体ではイオンの移動は限定的だが、超イオン伝導体では結晶構造中にイオンが移動しやすい空間や経路が形成されており、特定のイオンが三次元的に高速で拡散できる。その結果、室温付近で10のマイナス3〜10のマイナス2S毎センチメートル程度の伝導率を示し、これは従来の液体電解質と同等水準である。
代表例としては硫化物系のLGPS型材料などが挙げられ、全固体電池の性能向上に直結する技術として注目されている。
固体電解質材料の種類
固体電解質は材料によって特性や用途が分類されており、電池性能を大きく左右する。
硫化物系
硫化物系の固体電解質は、硫黄を主成分とする化合物からなる材料群であり、現在最も高いイオン伝導性を示す系統の一つである。結晶構造中にリチウムイオンが移動しやすい三次元的な経路を持つため、室温付近で10のマイナス3から10のマイナス2S毎センチメートル程度という、液体電解質に匹敵する伝導率を実現する材料も報告されている。
代表例にはLGPS型やアルジロダイト型などがあり、全固体電池の高出力化や急速充電性能の向上に直結する特性を持つ。また、粉末を加圧するだけで粒子同士が密着しやすく、界面抵抗を低減しやすい点も利点である。一方で、水分と反応して硫化水素を発生させる場合があるため、製造工程では厳密な湿度管理が必要になる。
酸化物（セラミック）系
酸化物系の固体電解質は、金属酸化物を主成分とするセラミック材料であり、化学的・熱的に安定している点が大きな特徴である。
代表例としてはガーネット型のLLZOやペロブスカイト型材料などがあり、結晶格子中に形成されたリチウムイオンの拡散経路を通じてイオンが移動する。室温でのイオン伝導率は10のマイナス4から10のマイナス3S毎センチメートル程度で、実用化に向けた改良も進んでいる。
空気中で比較的安定して取り扱いやすく、高電圧材料との組み合わせにも適応しやすい。一方で、材料が硬く脆いため電極との密着性を確保しにくく、界面抵抗の低減や加工プロセスの高度化が技術課題となっている。
高分子（ポリマー）系
高分子系の固体電解質は、ポリエチレンオキシドなどのポリマーを母材とし、その中にリチウム塩を溶解させることでイオンを移動させる材料である。イオンは高分子鎖の熱運動に伴ってセグメント運動とともに拡散する仕組みで伝導するため、温度上昇により伝導率が高まる特性を持つ。
室温でのイオン伝導率は一般に10のマイナス5から10のマイナス4S毎センチメートル程度とされるが、可塑剤や無機フィラーを添加した複合化によって性能向上が図られている。柔軟性が高く、薄膜化や大面積成形が容易であるため、軽量かつ曲げに強い電池設計に適している。一方で、機械強度や耐熱性、低温環境での伝導性が課題となる。
固体電解質の特徴やメリット
固体電解質には、大きく4つの特徴とメリットがある。
燃えない・漏れないため安全性が高い
固体電解質は可燃性の有機溶媒を含まないため、従来の液体電解質を用いた電池と比べて発火や延焼のリスクが大幅に低い。液体電解質では内部短絡や過充電時に電解液が加熱・分解されることで、可燃性ガスが発生して熱暴走に至る場合があるが、固体材料であれば揮発や漏液が起こらないため、事故時の被害拡大を抑制しやすい。
また、外部から衝撃を受けた場合でも液漏れによる二次被害が生じにくく、パッケージ設計の安全性を高められる。さらに、固体は物理的に電極を隔てる役割も担うため、内部での異常な接触を抑えやすい。
エネルギー密度が高い
固体電解質を用いた電池は、従来構造に比べて高いエネルギー密度を実現できる可能性がある。最大の理由は、負極に金属リチウムを直接使用できる点にある。液体電解質ではデンドライト形成による短絡リスクが大きく制約となるが、固体電解質は機械的強度によってこれを抑制しやすく、理論容量の高い金属リチウム負極の採用を後押しする。
また、電解質層を薄膜化しやすいため、電池全体に占める不活性材料の割合を低減できる。これにより単位重量あたり、あるいは単位体積あたりに蓄えられる電力量が増加する。電気自動車やドローンなど、軽量化と長時間駆動が求められる用途において大きな優位性を持つ。
高速充電と高寿命
また、硫化物系材料などの高いイオン伝導性を活用することで、リチウムイオンの高速な移動が可能となり、急速充電性能の向上が期待される。液体電解質のような界面での溶媒分解といった副反応が抑えられるため、高温環境下でも化学的に安定し、サイクル寿命の延長に有利である。
ただし、固体同士の接触界面における物理的な剥離（膨張・収縮に伴う抵抗増大）を抑制するための加圧設計や界面制御技術を組み合わせることで、初めてその真価が発揮される。
設計の自由度が高い
最後に、固体電解質を用いた電池は、材料が固体であることから構造設計の自由度が高い。液体電解質のように漏液を前提とした密閉構造や厚いセパレーターを必ずしも必要としないため、電極と電解質を積層した薄型構造や三次元的な配置など、多様なセル設計が可能になる。
電解質自体をシート状や薄膜状に加工できる材料もあり、小型デバイス向けのマイクロ電池や曲面形状への適用といった応用展開も現実的である。また、部材点数の削減や一体成形によってパッケージの簡素化を図る設計も検討できる。
固体電解質の課題やデメリット
一方で、固体電解質にも、まだ克服すべき課題がいくつかある。
製造コストが高い
固体電解質を用いた電池は、現時点では製造コストが高いことが大きな課題である。まず、高純度原料の確保や精密な組成制御が求められるため、材料そのものの価格が高止まりしやすい。さらに、均一な結晶構造や緻密な焼結体を形成するために高温焼成や特殊な成形プロセスが必要となる場合があり、設備投資やエネルギーコストが増大する。
量産技術も確立途上にあり、歩留まりの確保や品質管理の高度化にも追加コストが発生する。加えて、既存の液系電池向け生産ラインをそのまま転用できないケースが多く、新規ライン構築が必要になる点も負担となる。商業化にはスケールメリットの確立が不可欠である。
界面抵抗が高く高出力が難しい
また、固体電解質は電極との接触界面において抵抗が生じやすく、高出力化の妨げとなる場合がある。液体電解質は電極の微細な凹凸や空隙にまで浸透し、広い接触面積を確保できるが、固体同士では物理的な密着が不十分になりやすい。
その結果、イオンの移動経路が限定され、界面での電荷移動抵抗が増大する。とくに充放電を繰り返す中で体積変化が生じると、界面に微小な隙間や亀裂が発生し、抵抗がさらに上昇することもある。
これにより大電流を取り出す際の電圧降下が大きくなり、瞬間的な高出力が求められる用途では性能制約となる。現在は、界面改質や中間層の導入などの対策が研究されている。
材料により取り扱いが難しい性質がある
最後に、固体電解質は材料の種類によって取り扱いが難しい性質を持つ場合がある。例えば、水分や酸素と反応しやすい材料では、空気中の微量な湿気によって分解や性能劣化が進むことがあるため、製造や保管の工程では乾燥雰囲気や不活性ガス環境を維持する必要があり、作業管理が厳格になる。
また、セラミック系材料のように硬く脆い性質を持つものでは、成形や加工時に割れや欠けが発生しやすく、薄膜化や大面積化が難しい場合もある。他にも、高分子系材料では温度条件によって物性が大きく変化することがあり、使用環境の制約にもつながっている。
固体電解質を研究・開発している企業やメーカー
最後に、固体電解質に関する研究や開発を進めている企業やメーカーを紹介したい。
トヨタ自動車
トヨタ自動車は、全固体電池を電動化戦略の核心技術と位置づけ、材料開発から量産プロセスの確立まで広範な研究開発を進めている。特に、硫化物系固体電解質に注力し、出光興産との協業を通じて高イオン伝導性と加工性を両立する材料技術を開発している点が特徴だ。
また、電池単体にとどまらず車両搭載を前提とした加圧構造や制御技術の最適化にも取り組む。2027年から2028年の実用化を目標に、試作ラインでの歩留まり向上やコスト低減を進めている。
出光興産
出光興産は、石油精製の過程で副生する硫黄成分の有効活用を背景に、全固体電池の鍵となる硫化物系固体電解質の研究開発をリードしている。同社は高純度な硫化リチウムの安定供給体制を構築している点が強みであり、高イオン伝導性と耐水性を両立する材料設計を進めている。
現在はトヨタ自動車と戦略的に連携し、量産化に向けた製造プロセスの確立と品質均一化に取り組む。千葉県内で実証設備を稼働させ、2027年から2028年の市場投入を視野に供給能力の拡大を計画している。
三井金属鉱業
三井金属鉱業は東京都に本社を置く非鉄金属メーカーであり、機能材料や電子材料事業を展開している。同社は全固体電池向け硫化物系固体電解質の研究開発と量産体制の構築を進めており、「A-SOLiD」というブランド名で材料を展開している。
粉体制御技術や精密合成技術を活用し、高いイオン伝導性と安定性の両立を図るとともに、電極との界面特性を考慮した粒子設計を行っている。埼玉県上尾市に実証生産ラインを設置し、サンプル供給と量産プロセス検証を並行して進めている。既存の電池部材事業との連携も視野に入れ、次世代電池材料の供給拡大を目指している。
TDK
TDKは、積層セラミックコンデンサ（MLCC）の製造で培った高度な積層技術と材料技術を応用し、酸化物系固体電解質を用いた全固体電池の開発に注力している。同社はリン酸塩系材料を電解質に採用したオールセラミック全固体電池「CeraCharge」を製品化し、表面実装に対応する小型電源として展開している。
現在は薄層積層技術を高度化し、高容量化を目指した次世代品の開発を進めており、ウェアラブル機器やIoT用途への展開を図っている。
マクセル
マクセルは京都府に本社を置く電池・電子部品メーカーであり、一次電池やマイクロ電池分野で実績を持つ。同社はマイクロ電池技術とコーティング技術を基盤に、硫化物系固体電解質を用いた全固体電池を開発している。
独自の高気密封止技術を活用し、コイン形やセラミックパッケージ形の製品を市場投入している点が特徴である。高温環境下での動作や大電流対応モデルも展開し、医療機器や産業用センサー用途で採用が進む。
まとめ
固体電解質は、固体でありながらイオンを伝導する材料であり、全固体電池の中核を担う技術である。硫化物系、酸化物系、高分子系といった材料の種類ごとに特性は異なり、それぞれに強みと技術課題が存在する。
安全性や高エネルギー密度、高速充電といったメリットが期待される一方で、界面設計や量産化には克服すべき点も多い。現在は自動車メーカーや素材メーカーなど多様な企業が研究開発を加速させており、実用化に向けた競争が本格化している段階だ。
