全固体電池が交通機関をどのように変えるのか

1992 年、ソニーはポータブル エレクトロニクスに革命を起こしました。 数十年にわたるリチウムイオン電池の実験室研究を活用することで、日本企業は携帯電話やポータブルビデオカメラなどの製品を提供し、何十億もの消費者の生活を変えてきました。

電池は現在、化石燃料への依存を減らすために世界のエネルギーと輸送システムを改革するという大きな課題を支えています。 リチウムイオン電池の製造コストは劇的に下がり、近年電気自動車の販売が好調に推移していますが、技術の核心は商品化以来ほとんど変わっていません。

しかし、30年間にわたって徐々に改善が続けられてきたが、この教義は間もなくひっくり返る可能性がある。 世界最大の自動車メーカーであるトヨタはここ数週間、潜在的に革新的な技術である全固体電池の製造上のブレークスルーに近づいていると示唆した。 6月に日本の自動車メーカーが次世代技術に関する一連の発表を行って以来、この誇大宣伝は高まっている。 それ以来、その市場価値は260億ドル上昇しました。

トヨタが成功すれば、より早く充電でき、1回の充電で1,200キロメートル（同社の現在の平均の約2倍）走行できる、より安全な電気自動車の販売を早ければ2027年にも開始する可能性がある。

英国の電池研究機関であるファラデー研究所の共同創設者兼主席研究員ピーター・ブルース氏は、「全固体電池の成功を目指して世界中で競争が起きている」と語る。 「トヨタか他の企業が、コスト競争力があり、望ましい寿命を実現する全固体電池を製造すれば、エネルギー密度の向上と10分間の充電を実現できる。もしそれらの指標に達すれば、憂慮すべきことになるだろう。」

このテクノロジーの導入が成功すれば、その影響は甚大になる可能性があります。 それは、テスラ、BYD、中国のCATLによって電気自動車とバッテリーの販売が独占されている自動車業界を揺るがすことになるだろう。 中国による電池とその原材料の現在の支配力に対する西側諸国の懸念を考えると、これは地政学的な影響を与えるだろう。 航空などの新たな輸送分野で電池を応用する道が開かれる可能性がある。

一部の観察者は、この変化はケーブル電話や固定電話から携帯電話への移行と同じくらい重大なものになる可能性があると考えている。

しかし、全固体電池技術には懐疑論がないわけではない。 批評家は、基本的な科学的問題が解決されているかどうかを疑問視しています。 また、高速大量生産が可能なのか、それともそもそも重要な市場が存在するのか疑問に思う人もいます。

「全固体電池に関する興奮は、現在の一連のソリューションが十分ではないことを意味します。これは明らかに真実ではありません。売上は毎年 20 ～ 30 パーセント増加しており、それらを試した人は皆、もう戻れないと言っています。」 「現時点では、それは行き過ぎた研究プロジェクトです。」

トヨタの最近の画期的な主張は、全固体電池が世界の交通システムの脱炭素化にどれだけ早く大きく貢献するかという疑問を再び提起した。 米国政府の資金援助を受けている研究所であるエネルギー貯蔵科学アルゴンヌ共同センター所長のヴェンカット・スリニバサン氏は、これらの電池を長期電池産業の「聖杯」と呼んでいる。

「しかし、これらの興味深い研究室規模のイノベーションは、製造可能になるまでにまだ大きな橋を渡らなければならないのでしょうか、それともすぐに大量生産できるものなのでしょうか?」 尋ねられた。 「私はまだそのことで苦労しています。」

強固な基礎

すべてのバッテリーは同じように機能します。イオンとして知られる荷電原子の流れが、電解質と呼ばれる化学物質を介して正極から負極、つまりセルの 2 つの電極に流れ、その過程で電流が生成されます。

全固体電池は、電解質が液体ではなく固体であるという点で現在のリチウムイオン電池とは異なります。 ポリマー、酸化物、硫化物などのさまざまな材料が、潜在的な電解質としてテストされています。 液体電解質は火災の危険性が高まるため、全固体電池を使用する自動車の方が安全です。

電解液を単独で交換しても、必ずしもバッテリーの性能が徐々に変化するわけではありません。 本当の興奮は、それが可能にする技術開発、つまりリチウム金属アノードにかかっています。 現在の陽極に使用されているグラファイトを置き換えれば、軽量になることもあり、バッテリーの航続距離は2倍になるだろう。

全固体電池は長年にわたり根本的な技術的課題に直面してきました。 1つは、充放電を頻繁に行うとリチウムの塊であるデンドライトが形成され、クラックが発生するため、電池の性能を維持したり故障を回避したりすることが難しいことです。 もう一つの課題は、固体材料間の安定した接触を実現することです。

トヨタが6月に主張した最初の「突破口」は、耐久性に関連する技術的問題の解決に関するものだったものの、ハッキングにつながった素材の種類については詳細が乏しかった。 同社は先週、石油化学グループの出光興産と硫化物電解質を共同開発・生産する提携を発表し、これが５年以内の商業化の鍵となると述べた。

出光興産の鬼頭俊一最高経営責任者（CEO）はトヨタ自動車との共同記者会見で、「硫化物系固体電解質が航続距離や充電時間などのバッテリー電気自動車の問題に対する有望な解決策であると確信している」と述べた。

科学者の間では、基本的な技術的課題はもはや克服できないものではないとの認識が増えています。 このため、量産規模の拡大が次の課題となります。 最大のハードルの 1 つは組み立てプロセスです。材料を損傷することなく、カソードセルとアノードセルの層を迅速かつ高精度で積み重ねる必要があります。

トヨタのエンジニアもここでの進歩を主張した。 同グループは現在、現在のリチウムイオン電池と同じ速度でセルを積層できると確信を深めている。

ただし、大規模な量産を達成するには、他の技術的なハードルをクリアする必要があります。 「バッテリー材料のサイズと品質を確保するという点で、まだ画期的な進歩を遂げる必要がある」と同社のエンジニアの一人は先月工場を視察した際に語った。

世界的な影響

全固体電池の導入は、世界の自動車産業の将来に大きな影響を与える可能性があります。

現在、中国はバッテリー技術と製造の両方でリーダーシップを発揮しているため、業界の次の段階を支配する可能性を秘めている。国際エネルギー機関によると、中国は昨年世界のバッテリーの75パーセント以上を生産した。

CATL は、37% の市場シェアを誇る世界最大の電池メーカーです。 寧徳市に本拠を置くこの企業は、最も収益性の高い電池メーカーであり、その規模と研究開発への投資のおかげで、大きなコスト面での優位性を享受している。

ソリッドステートは電池競争で北京を飛び越える唯一の方法かもしれない。 この技術に投資しているのはトヨタだけではありません。 日産とホンダは独自のプログラムを持っています。 韓国の大手バッテリーメーカー3社、LGエナジーソリューション、サムスンSDI、SKオンは、2020年代後半までにそのようなセルを開発する意向を発表した。 米国の新興企業QuantumScapeとSolid Powerは、それぞれフォルクスワーゲンとBMWのパートナーであり、自社技術の商品化について同様の目標時期を設定している。

大阪首都大学の林明敏教授は、現在のリチウムイオン電池と同じ品質の全固体電池を大量生産するのは非常に難しいが、実現できれば「世界的に無敵」の技術になるだろうと述べている。

同氏はさらに、「固体電池は、電気自動車戦略で遅れをとっている日本の自動車メーカー、そしてリチウムイオン電池の世界市場シェアを失った日本にとって再生の鍵となるだろう」と付け加えた。

中国は電池原材料の加工も管理している。 全固体電池は、中国政府が先週輸出制限を課した黒鉛への現在の依存など、一部の脆弱性を軽減できる可能性がある。 しかし、現在の電池よりも多くのリチウムを消費するため、予想されるリチウム不足の緩和にはあまり役に立たない。

中国と韓国の業界リーダーは、全固体電池が約束を果たすことについてあまり楽観的ではない。 CATLに近い関係者によると、中国グループの研究者らは過去10年間、全固体電池の解読に取り組んできたという。 トヨタはまだ、量産のための費用対効果の高いシステムを考案していない。CATL社内では、トヨタがそれを達成したかどうかについては疑問がある。

韓国の業界リーダーらも同意する。 「製品開発とマーケティングは別のものです」と、ある幹部は言います。 「トヨタは全固体電池の量産について話している」 [more than] 10年ですが、彼らは日付を遅らせ続けています。」

製造上の障壁

たとえ技術とスケールアップの課題を克服できたとしても、全固体電池が電気自動車の世界的な普及を加速するのに間に合うように生産コストを削減できるかどうかは不明だ。

規模の経済はコストの削減に役立ちます。 しかし、シリコン負極などの他の技術の進歩に伴い、現在のリチウムイオン電池の性能とコストも常に向上しています。 全固体電池は水分や酸素に対して極度に敏感であるため、製造コストが高くなる可能性がある一方、その複雑さにより電気自動車の高価な再設計が必要になる可能性があります。

コストが十分に下がらなければ、全固体電池は高級車やトラック輸送に限定されることになるかもしれない。 韓国企業LGESの先進自動車用バッテリー責任者、キム・ドンミョン氏は、生産には「非常に高価」であり、「用途は非常に限られている」と語る。 韓国の複合企業ポスコの電池材料事業責任者、イ・ギョンソプ氏の試算によると、たとえすべてが計画通りに進んだとしても、全固体電池は2035年までに電気自動車市場全体の約10％を占めるにとどまる可能性がある。

トヨタ自動車の佐藤幸治最高経営責任者（CEO）自身は、全固体電池が世界的な電気自動車レースに勝つための「ゲームチェンジャー」であると呼ぶことに消極的だ。 佐藤氏は、全固体電池は最初は高級モデルに少量導入されるが、リチウムイオン電池はより手頃な価格の車に引き続き使用されるだろうと指摘した。

佐藤氏は先週、「固体電池技術は、当社のさまざまな電池製品全体の総合力を高める上で極めて重要になる」と述べた。 「しかし、バッテリーだけで車の価値が決まるわけではありません。」

多くの業界幹部は、固体コンポーネント技術が既存の電池に徐々に統合されることに同意している。 CATLはまさにそれを計画しているようで、4月には現行モデルの2倍のエネルギー密度を持つ新しい「キャパシタ」または「半固体」バッテリーを発表した。

世界最大のリチウム生産会社アルベマールの最高技術責任者グレン・マーフィールド氏は、「全固体電池はわれわれが目指すところにぴったりだ」と語る。 「現在のリチウムイオン電池は、最終的にはこのように進化するでしょう。」

技術的な障害がすべて残っているにもかかわらず、一部の観察者は、潜在的な影響が深刻になる可能性があると信じています。 性能が劇的に向上したバッテリーは、ロボタクシーから地域航空、新型ドローンに至るまで、世界のモビリティの多くの側面を再設計する扉を開く可能性がある。

「固体電池がその役割を果たさなければなりません。新しい電池の役割は、決して古い電池を置き換えるものではありません。電池は、以前にはできなかったことを解き放つことを目的としています」とシカゴ大学の電池教授であるシャーリー・ミン氏は言う。 「日本の自動車会社は、新しいドライビングレンジと充電時間を活用することで、交通の未来を再考しています。」

エドワード・ホワイトによるソウルでの追加レポート