脱炭素時代において、蓄電池の重要性が増すとこれまでも何度か取り上げたが、その認識は徐々に社会にも浸透しつつある。蓄電池の技術競争が熾烈を極める中、次世代電池の一つとして高い期待が寄せられているのが、全固体電池だ。村田製作所やトヨタ自動車などが注目されるが、ある企業がイノベーションを発表した。ソフトバンクだ。ソフトバンクによる蓄電池の革新について、ゆーだいこと前田雄大が解説する。
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<h2>熾烈極める全固体電池でソフトバンクが３つのイノベーションを発表</h2>
蓄電池に関して、国際的に大型投資や生産能力、そして技術競争が熾烈を極める中、次世代電池の一つとして高い期待が寄せられているのが、全固体電池である。村田製作所の製品が注目を集め、トヨタが数多くの特許を持つなど日本勢もこの技術競争ではいい位置どりをしているのだが、その中で、個人的に密かに注目をしていた企業が11月２日、あるイノベーションを起こしたと発表した。
その企業とはソフトバンクだ。そう、ソフトバンクも蓄電池に力を入れていのだ。以前、ソフトバンクが蓄電池に力をいれるべく設立をした<a href="https://energy-shift.com/news/75d88533-3831-4df8-82be-52fedec9c9b0?origin=%E3%80%8C%E3%82%A8%E3%83%8A%E3%82%B7%E3%83%95TV%E3%80%8D&href=/news/tag/%E3%82%A8%E3%83%8A%E3%82%B7%E3%83%95TV">ソフトバンク次世代電池Labとそのコンセプト</a>をお伝えしたことがある。なぜなら、ソフトバンクは脱炭素の重要性もわかりつつ、デジタルの文脈も見ている。ドローンの活用なども視野にいれて、とにかく電池が大事だ、そしてエネルギー密度を重視するという動きを見せていたからだ。
それに整合する形で、ソフトバンクは全固体電池に関して、３つのイノベーションを起こしたと発表した。そこで今回は、イノベーションの１つである「高質量エネルギー密度に向けた全固体電池用正極材料の開発」について紹介した上で、次の２つの論点を解説したい。
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<li>２つ目のイノベーションであるマテリアルズ・インフォマティクスの蓄電池への活用について</li>
<li>質量エネルギー密度520Wh／kgセルの試作実証について</li>
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まずは、今回のイノベーションの１つである高質量エネルギー密度に向けた全固体電池用正極材料の開発について紹介していきたい。
リチウムイオン電池の課題を解決しつつ、さらに・・・次ページ

まず、今回のイノベーションの鍵となる「電解質」とはどういうものなのか、こちらから解説をしていきたい。
電池における電解質とは、正極と負極の間でキャリアの輸送を担う物質のことだ。リチウムイオン電池では、一般的に炭酸エステル系の有機溶媒にリチウム塩を溶解した非水系の電解液が用いられている。
なぜ、このような電解液が使われるかというと、鉛蓄電池やニカド電池、ニッケル水素電池などの水系電解液を用いた電池の場合、電解液中の水が電気分解してしまうため、電池の起電力を高くするには限界があるためだ。
一方で、リチウムイオン電池の電解液は、電気分解されない電位領域の広い有機溶媒や耐酸化性に優れたリチウム塩を使用しているため、水系電解液よりも高電圧耐性が向上し、エネルギー密度を高めることができている。
そう先ほど述べたようにエネルギー密度というのは脱炭素時代の鍵を握る。それもあっていま、リチウムイオンが全盛になっている。
これに加えて、さらに良好な電池性能を得るため、電解液に求められる特徴が「イオン伝導率」だ。これは、正極・負極間をどれだけ多くのリチウムイオンが高速で移動できるか、つまりリチウムイオンの濃度や移動速度によって決まってくる。
炭酸エステル系の有機溶媒、リチウム塩といった一般的な材料の多くは、粘度、誘電率、溶解度といった種々の特性でイオン伝導率を高め、リチウムイオンを動きやすくすることが可能であることから採用されている、という背景がある。
そのため、電解液としては非常に優秀であるという格好になるわけだ。
ただ、いま述べたように有機溶媒などは可燃性、つまりリチウムイオン電池には可燃性の液体電解質が使われている格好になる。そのため、何かしら着火のきっかけがあると、電池が発火するリスクが高いとされているわけだ。脱炭素時代にはこの発火の問題をどうするか、というのが大きな課題になっている。一方で、密度は追求しないといけない。
こうした課題を抱える中、今回ソフトバンクが果たしたブレークスルーというのが全固体電池の正極の電解質になる。
今回、ソフトバンクは住友化学および東京工業大学と共同で開発を実施。開発に成功した正極は、電解質に安定性が高く、液体電解質に匹敵するイオン伝導度を持つLi10GePS12系（リチウム、ゲルマニウム、リン、硫黄）の固体電解質を、正極材料に高容量のリチウム過剰系正極活物質をそれぞれ採用した。
これによって、高い安定性と、そして高容量化の両方を達成できる見込みが得られたという。リチウムイオンの課題を解決しつつ、容量を追及できたわけだ。
<img src="https://cdn.energy-shift.com/upload/20211108064941_fig001.jpg" alt="" width="1000" height="583" /> 出典：ソフトバンク
開発した正極活物質は250mAh／gを上回る高容量で、これは既存の高容量タイプの正極材料であるニッケル酸リチウム（NCA）や、三元系正極材料（NCM）などの容量（約220mAh／g）を大きく上回っている。
ソフトバンクはドローンの活用などを考えており、成層圏にまで飛行させて雲の上の基地局を作る構想ももっている。そうした極度な環境にも対応できるバッテリーとしての活用が期待される、としている。
それでは次に、２つ目のイノベーションとなるマテリアルズ・インフォマティクスの蓄電池への活用について解説したい。
星の数ほどある化合物から、有用な材料を探し当てる新手法とは・・・次ページ

<h2>星の数ほどある化合物から、有用な材料を探し当てる新手法とは</h2>
よく脱炭素時代は資源獲得競争といわれるが、これは蓄電池も同様だ。
現行のリチウムイオン電池の正極は、コバルトなどのレアメタルを多く含んでいる。これを原子量の小さい軽元素のみから構成される有機材料に置き換えることができれば、質量エネルギー密度の向上に伴う軽量化やレアメタルフリーによるコスト削減、生産時の環境負荷が低く、SDGs（持続可能な開発目標）に即した電池になるなどの効果が期待できると言われている。
そのため有機正極の高性能化や新規物質の探索は近年多くの注目を集めている状況だ。
一方で、有機化合物の総数は10の60乗個ほど存在すると言われている。そのため、そこから電池材料に使用可能な化合物を絞り、全ての化合物の性能を検証することは非現実的である。天文学的数字だからだ。
そこで機械学習を用いた材料探索手法MI（マテリアルズ・インフォマティクス）が注目されているのだが、ここにも課題がある。
一つには学習や探索に必要なビッグデータ（元データ）が容易に入手できないという点だ。
そして２点目に、正極材料は分子構造や材料特性以外にも考慮すべきパラメーターが膨大であるという点が挙げられる。そのため、MIの適用は試みられてこなかった。
それをやったのがソフトバンクだった。
慶應義塾大学との共同研究では、MIと化学的考察を併用して重要度の高い記述子を絞り込む手法により、50個という少ない文献データから優れた外挿精度を持つ電位・容量・エネルギー密度といった性能予測モデルの構築に成功。
しかも、モデル構築にとどまらなかった。
このモデルを用いることで、1,000Wh／kgを超えると予測される、正極材料の候補となる化合物を数種類発見することにも成功したのだ。
<img src="https://cdn.energy-shift.com/upload/20211108065020_fig02.jpg" alt="" width="1000" height="971" /> 出典：ソフトバンク
発見した正極材を試していけば、非常に優れた電池を作り出すことが現実味を帯びる中、ソフトバンクはエネルギー密度にもこだわりを持ち続けている。そこで最後に、質量エネルギー密度520Wh／kgセルの試作実証について解説していきたい。
ソフトバンクはエネルギー密度も寿命も追求・・・次ページ

<h2>リチウムイオン電池の約２倍、質量エネルギーの限界を大幅に突破</h2>
ソフトバンクは質量エネルギー密度520Wh／kgセルのリチウム金属電池の試作と実証にも成功した。
そうは言っても、その凄さはなかなか実感できないと思うが、例えば、現行のリチウムイオン電池の重量エネルギー密度はセルで最大約270Wh／kg、そして理論限界が280Wh／kgとされている。それに対して、520Wh／kgという数字は、いかに密度が優れているのか、おわかりいただけると思う。
さらにソフトバンクは当然寿命も追求。100サイクル以上の寿命も達成できているのだが、実は、質量エネルギー密度520Wh／kgとサイクル寿命100サイクル以上を同時達成したという点で、この電池は、世界初の電池となる。
<img src="https://cdn.energy-shift.com/upload/20211108065049_fig03.jpg" alt="" width="1000" height="474" /> 出典：ソフトバンク
ちなみに、技術的な話をすると、今回、ソフトバンクはリチウム金属の界面制御技術と電解液技術を駆使。電池の設計上、非活物質の使用比率を低減しつつも二次電池としての充放電安定性を維持しながら、質量エネルギー密度の限界を大幅に突破している。
その進捗度合いは著しく、気になるのが特許の部分だ。当然ここも抜かりない。これらの共同研究で得られた各技術については、ソフトバンクおよび各共同研究先によって特許出願済みとなっている。
ソフトバンクは、これらの共同研究で得られた各種セルについて、「ソフトバンク次世代電池Lab.」を活用しながら、継続的にセルの大型化や容量・サイクル数の向上などに取り組み、次世代電池の実用化を目指していくという。
やはり、時代がわかっている企業の取り組みはいい。今回の発表は個人的にも痺れたところが多かった。
そこで、今回はこの一言でまとめたいと思う。 『痺れるぜ　ソフトバンク！』
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脱炭素時代において、蓄電池の重要性が増すとこれまでも何度か取り上げたが、その認識は徐々に社会にも浸透しつつある。蓄電池の技術競争が熾烈を極める中、次世代電池の一つとして高い期待が寄せられているのが、全固体電池だ。村田製作所やトヨタ自動車などが注目されるが、ある企業がイノベーションを発表した。ソフトバンクだ。ソフトバンクによる蓄電池の革新について、ゆーだいこと前田雄大が解説する。