全固体電池の反応メカニズムをあらためて学ぶ｜基礎から学ぶEVバッテリー

リチウムイオン電池型

全固体電池のリチウムイオン電池型は、基本構造こそ従来のリチウムイオン電池に似ているが、液体電解質の代わりに固体電解質を用いる点が大きな違いである。固体電解質には硫黄物系や酸化物系の材料が使われ、正極材料には一般的にコバルト酸リチウム（LiCoO_₂）や三元系材料（NCM）が用いられる。これにより、高エネルギー密度と高いサイクル寿命が両立できる。一方で、充放電時の膨張・収縮に伴う電解質界面の劣化や、イオン伝導性の低下が問題となるため、これに対応する耐性を持つ固体電解質材料の開発が求められている。

リチウム金属二次電池型

リチウム金属二次電池型は、充放電を繰り返すことを前提としており、固体電解質が長期にわたり安定的に機能する必要がある。固体電解質には、一般に耐久性とイオン伝導性のバランスが求められ、硫黄物系に比べ酸化物系が適しているとされる。特にLLZO（リチウムランタンジルコネート）やLLTO（リチウムランタンチタン酸塩）といった材料は、構造が安定しており、広い温度範囲での使用が可能である。また、リチウムデンドライトの成長を抑制するため、固体電解質の結晶構造や膜厚の調整が行われている。

リチウム金属硫黄電池型

リチウム金属硫黄電池型は、正極に硫黄を使用することで、理論上のエネルギー密度が従来のリチウムイオン電池をはるかに上回る。リチウムイオンと硫黄が化学反応し、硫化リチウム（Li_₂S）を生成する際にエネルギーが放出されるが、硫黄は体積変化が大きく、サイクル寿命に影響を及ぼす要因となる。また、硫黄は絶縁性が高いため、導電性向上のための改良が必要とされている。近年、硫黄物系固体電解質との組み合わせにより、体積変化への耐性やイオン伝導性の改善が見込まれている。

また、リチウム硫黄電池はリチウムの負極と硫黄の正極が直接反応する構造を持ち、以下のような反応を通じて電力を生成する。

2Li + S → Li2S (ΔG=－433 kJ/mol)
E= 2.25V

この反応によって理論上は高いエネルギー密度が得られるものの、長期の使用に伴う課題があるため、持続可能なバッテリー寿命を確保するための新たなアプローチが求められている。

リチウム金属空気電池型

リチウム金属空気電池型は、正極に空気中の酸素を使用し、リチウムと酸素が化学反応を起こしてリチウム酸化物を生成する構造を持つ。この反応は高いエネルギー密度を可能にし、理論上、既存のリチウムイオン電池を凌ぐ。しかし、酸素還元反応に伴う副生成物の形成や、酸素供給の効率化が課題であり、触媒材料の選定と固体電解質の最適化が進められている。特に酸素透過性の高い膜とリチウム金属の安定性を維持するためのバリア層の研究が注目されている。

硫黄物系固体電解質の特性と反応メカニズム