全固体電池研究の最前線

これから大きく市場が伸びると予想されているEVは、全固体電池の新しい用途と言っていいでしょう。しかし、クルマで使うためには信頼性、安全性、容量、出力、入力など、全てにおいて非常にシビアなスペックを要求されます。もし、そうした要求を満足する全固体電池を作ることができれば、実用化の可能性は十分にあると思います。

― トヨタ自動車が2020年代前半に全固体電池の実用化を目指すとのニュースがありました。

実用化について私は知る立場にありませんが、実用化ができればいいなと期待しています。先ほどお話しした通り、電池を仕上げるというプロセスが重要です。私たちはこれまで材料開発をやってきましたが、電池の反応メカニズムに関しては大学に在籍する者としては、基礎研究でどういう課題があって、どう解決できるかというのをある程度示す必要があります。対して、企業は電池を作って、それがモノになるように仕上げていただきたい。製品を作るというのはメーカーの役割で、大学では一切できないところですから、双方がうまく噛み合えば実用化が見えてくると考えています。さまざまな難しい課題をクリアしていく必要があり、今はまさにその過程にあると考えています。

図2：各エネルギーデバイスのエネルギー密度（EVの航続距離）と出力密度（EVの加速性能）の関係（東京工業大学提供）

研究者として

― 固体電解質の研究を始めたきっかけを教えてください。

1980年に三重大学の電気化学の研究室に就職したことをきっかけに固体電解質の研究を始めました。当時はリチウムイオン電池の影も形もない時代で、リチウムという物質が面白そうという理由でリチウムイオン電池の電解質の研究に取り組みました。当時の上司である山本先生が、銅と銀の固体電解質を研究されていました。そこで私は塩化物のリチウムイオン導電体をテーマに博士論文にすることができたのですが、イオン導電率としては10^-5S/cm 程度しかありませんでした。1989 年に神戸大学に移ってからは、リチウムイオン電池がちょうど世の中で実用化されてきた頃で、塩化物以外でリチウムの高い電位でも安定なものと考えると、硫化物しかないということで硫化物の固体電解質の研究に取り組みました。2001 年に東京工業大学に移ってからは、神戸大学時代から継続して硫化物の固体電解質の研究を続けています。特にレーザーアブレーションという手法でエピタキシャルの薄膜を作ると表面に理想的な電気化学界面ができるので、その界面の様子を中性子、放射光で観察することを今も継続しています。

― 液体の電解質を使用したリチウムイオン電池が実用化された1990 年代、固体電解質の研究にどのように取り組まれていたのでしょうか。

私は、材料屋・物質合成屋なので、新しい特性の良いものを見つけ出すところが面白いと考えています。固体の中をイオンが動くというのは、固体イオニクスという研究分野の中ではイオン種としてリチウム、プロトン、ヒドリド、酸素、ナトリウムなど、いろいろな動きうる元素があります。そのようなイオン種を動かすものを作り出すというのが、一つの大きな仕事です。例えば、リチウムであればリチウムが固体の中をどこまで速く動くようになるのだろう、という純粋なサイエンスとしての興味から、そのような動く固体物質を探し出し、あわよくば電池として使うというスタンスで物質探索をしています。また、イオンが固体の中を速く動くということ自体が、非常に面白いことなので、そういう興味に惹きつけられて、ここまで研究を続けてきました。

― 当時、固体電解質が脚光を浴びるという確信はあったのでしょうか。

確信はありませんでしたが、三重大学で銀・銅イオン導電体の研究をしていた時、10^-1～10¹S/cmと水溶液並みの高いイオン導電率を実現していました。それを用いて固体電池の小さなチップの電池を作って動作させると数mA、数Aと信じられないほど電流が流せるんですね。固体でもイオン導電率さえ高ければ、普通の液体電池と変わらないぐらいの出力を取れる電池ができたので、リチウムでも液体の電解質を使う必要はないだろう、というのはおぼろげながら感じていました。

― 2011年に超イオン伝導体“LGPS”を発見されました。

その前の2000 年にチオリシコンと同じ系列でリチウムとゲルマニウムと硫黄の化合物を発見しています。しかし、イオン導電率が10^-3S/cmと、固体電池としては少し不足していました。その材料を使って電池を作る時にいろいろな操作をするのですが、不思議なことも出てきたので何でだろう？ということで、リチウム、リン、硫黄、ゲルマニウム系の相図を作ることに取り組みました。すると、何か別のものがあるというのに気がつき、組成比を最適化することによって導電率が高い固体電解質材料を発見しました。

― 2016年にLGPSの派生の固体電解質として、塩化物が少量添加された新規材料、2017 年にはスズと珪素の組み合わせの固体電解質“LSSPS”を発見されています。

LGPSは非常に不思議な結晶構造でリチウムイオンを非常によく動かすことができますが、ゲルマニウムとリンとの組み合わせで発見されたので、あとはどういう元素を入れれば、性質がどのように変わるかというのは無機化学、固体化学のこれまでの常識に基づくと、こう変わるだろうなということは推測することができます。そこで、電池に使う場合は、導電率と安定性を上げる方向で元素を置換し、その過程で導電率・元素の位置関係・安定性の良いもの、高価な金属元素を除いたものなどを探索します。

スズと珪素の組み合わせはゲルマニウムを使わず簡単に作れるという観点から、固体電池の電解質として面白いかなと思います。

図3：固体電解質の材料探索（東京工業大学提供）

全固体電池の未来

― 最近は産・官・学で全固体電池への関心および研究が熱を帯びています。

少し前までは全固体電池は電池ではないと言われていましたが、それが電池として認められ、さらに一歩進んで実用化という流れになっています。一歩ずつ着実に進めて、実際に電池として仕上げていきたいと思います。長年研究をしていると、この研究が難しく一筋縄ではいかないことを知っていますので、さまざまな分野の優秀な研究者が関与して問題を解決する、そうして初めて難しい新しい技術がものになると考えています。ほんの一握りの研究者の夢だけではなかなか進まなかったことが、いろいろな技術者、研究者の共通の夢になって開発が進んでいくというのは私にとっても夢のような状況です。

― 日本は全固体電池の研究がどの程度先行しているのでしょうか。

ここ数年、全固体電池のプロジェクトは日本がずっと先を走っています。ヨーロッパではポリマーを使った固体電池の歴史が日本以上に長いので、こういうものまで含めると固体電池のプロジェクトはたくさんあります。

最近では、アメリカ・ヨーロッパでも研究が盛んで、硫化物タイプについては日本が少し先行していますが、酸化物に関しては山のように研究成果が世界で出てきており、日本の優位な状況がどこまで続くか予想することは難しいですね。ただし、全固体電池の実用化により社会を豊かにする観点で考えると、競争相手は多いほうが実用化される可能性も高くなります。研究の世界的競争を歓迎すべきだというのは言うまでもないでしょう。

― 菅野先生が考える究極の全固体電池とは、どのような電池でしょうか。

それは難しい質問ですね。固体電解質でイオン導電率が1S/cmまで達成できれば、既存の溶液系のリチウムイオン電池の電解質と入れ替えて電池として良い特性が出ると思います。ただし、材料としての課題はまだまだ多く、さらに良い材料を探索する必要があります。また、リチウム金属負極でも安定して使用できる固体電解質があればよいと思いますが、熱力学的にリチウムの電位に対して安定な固体電解質というのはおそらくないので、ハードルはかなり高いと思います。

― 最後に、次世代の研究者にメッセージをお願いします。

楽しんで研究に取り組むことと継続することです。私は、固体電解質の研究をずっと継続してきたからこそ、さまざまな物質を発見することができました。いつも良いものを発見できるわけではなくたまに出てくる。ただし、継続しないと発見できない。継続するためにも、楽しんで研究に取り組むことが重要かと思います。

※本記事は、2019年4月8日に東京工業大学すずかけ台キャンパスにて行ったインタビューをもとに書き起こしたものです。