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全固体電池の活用先とビジネスに与える影響

2020年12月28日 通信メディア・ハイテク戦略グループ 大迫拓矢


要旨
●全固体電池とは従来の電池の液体部を固体材料に置き換えた次世代電池であり、電気自動車(以下EV)の車載電池としての活用が最も期待されているものの、EVでの実用化は数年後になる見込みである。
●一方で、超小型バッテリーや蓄電デバイスのような車載電池以外の用途を目的とした全固体電池が近年実用化されている。特に、全固体電池を用いた蓄電池は「VPP(Virtual Power Plant)構想」において活用されることで、VPPを社会実装する上での鍵となる可能性がある。


はじめに
 全固体電池とは、その名の通りすべての材料を固体化した電池である。2011年に東京工業大学の研究チームによって全固体電池の作成に必要な物質が初めて発見されたことをきっかけに開発が加速し、現在ではすでに実用化が始まっている。富士経済によれば、全固体電池の世界市場規模は2035年までに約2兆7千億円に拡大すると予想されている(2018年時点では約24億円)(※1)。2035年の市場規模では車載電池向けが中心になると考えられているものの、現在は小型センサーの電源や発電所向けの蓄電池など車載電池とは異なる分野での活用が主である。
 本稿では、全固体電池の概要、従来の電池との差異、車載電池以外に想定される用途を整理した後、既存のシステムと組み合わせることで価値を生む活用先について考察する。
 
全固体電池の概要
 従来の電池は、液体に正極・負極の一部を浸した構造をとる。内部の液体は外部からの衝撃によって引火する可能性があり、また高温・低温環境下に弱い。そのため電池の用途には制限が加えられている。一方で、全固体電池は液体部を固体材料に置き換えたものであることから、従来の電池の問題を根本的に解決することができる。加えて、液体を内部に閉じ込める必要がないため電池の構造がシンプルになり、複数の電池を積み重ねて接続する積層化も可能である。積層化を行うと製品のサイズを小さく保ったまま電池の容量・出力を大きくすることができる。
 EVの車載電池向けとしては、主に固体部に硫化物系の素材を用いた全固体電池の開発が行われているが、①硫化物系は水と反応して有害な硫化水素を放出する危険があり、安全性に配慮した設計が必要であること、②量産技術が確立していないことなどのいくつかの課題が存在する。そのため、車載電池向け全固体電池の実用化は数年後になる見込みである(※2)
 一方で、固体部に酸化物系・樹脂系素材を用いた電池は、他製品の量産技術を転用すること(※3)が可能であるため、近年実用化が進んでいる。以後は、実用化が進む酸化物系と樹脂系素材の全固体電池の用途について解説を行う。

現状想定されている用途
 酸化物系全固体電池は、一辺が数ミリメートル程度の超小型電池としてすでに製品化されている(※4)。容量や出力は硫化物系と比較して劣るものの、小型で耐熱性が高いことから一部製品では電子基板に直接はんだ付けをすることができる。そのため、電子機器などに組み込まれるクロックのバックアップ電源(※5)やIoTセンサー・BLE(Bluetooth Low Energy)ビーコンの電源など容量・出力がそこまで要求されない用途における既存電池の代替が想定されている。
 樹脂系全固体電池は、2021年以降に量産が開始される見込みである(※6)。樹脂系全固体電池は硫化物系と同程度の容量・出力を持ち、安全性が高く、成形が容易である。さらに、既存のリチウムイオン電池などと比較して、製造プロセスを簡略にすることができるため、低コスト化が期待されている。樹脂系全固体電池を開発するベンチャー企業のAPBは、まずは発電所内の蓄電デバイスとして製品化を目指すとしている。加えて、太陽光発電と組み合わせた家庭用蓄電池やウェアラブルデバイスのバッテリー、潜水機や航空機などの特殊環境で運用される機械向けのバッテリーなど幅広い用途への展開が想定されている。特に、全固体電池による低価格な家庭用蓄電池は、政府や電力会社を中心に提案されている「VPP構想」を促進するための呼び水となる可能性が期待できる。

VPP構想実現における全固体電池
 現在の電力システムでは、各時刻における需要量と供給量を一致させる「同時同量の原則」が存在する。今までは、主に電力会社が火力発電所における燃料の量の増減や揚水発電の利用などを行うことによって社会全体の需要量に合わせて供給量を調整していた。しかし、太陽光・風力発電など供給量が常に変動する再生可能エネルギー発電施設の数が増加したことで、供給量全体の変動幅が増加し、火力・揚水発電以外の新しい調整力の確保が課題となっている。そこで、調整力の提供手段としてVPP構想が提案されている。
 VPP(Virtual Power Plant)は、主に企業・個人などの需要家側に設置された発電機器や、蓄電池・EVなどの分散型エネルギーリソースを集約し、仮想的な発電所のように制御・運用する取り組みである。需要家は電気を貯めておける池として蓄電池・EVを利用することで、電力網全体の需給バランスに応じて需要量を調整することができる。さらに、蓄電池・EVに貯めた電気を再び電力会社に送り返す逆潮流によって電力を供給することも可能である。需要家はこのように提供した調整量に応じて、電力会社からインセンティブを得られる。一つ一つのエネルギーリソースは小規模であるものの、VPPではそれらを集約し、全体を制御することで発電所と同等の調整力を提供することが可能となる。
 VPPを社会実装するためには、各需要家施設に蓄電デバイスを設置することが必須となる。需要家がEVをすでに保有している場合は、EVに内蔵された蓄電池を利用することができる。しかし、国内におけるEVの普及は限定的であるため、多くの需要家では蓄電池を設置することが合理的な選択肢となっている。企業は蓄電池の導入に積極的であり、実証実験ではすでに事業の採算がとれることが検証されている段階にきている。一方で、一般家庭等では価格の高さが原因で蓄電池の導入が十分には進んでいない(参考:家庭用蓄電池の設置費用は105~196万円)(※7)。蓄電池の普及が企業等に限定される場合、VPP構想において期待されている十分な大きさの調整力を提供できない可能性がある。
 そこで、全固体電池によって蓄電池製造コストの削減が実現されれば、蓄電池の価格が大きく下がり、一般家庭において普及が進むことによりVPPの社会実装が可能になると考えられる。そうすれば電力システムにおける調整力の確保という課題を解決することができるであろう。

おわりに
 10~20年後のスマートソサエティに向けて、技術は日進月歩に発展している。特に電池のような基盤技術の進化は、交通・エネルギーをはじめとした幅広い産業に影響を与える可能性がある。全固体電池はVPPへの活用を行うことで、蓄電池としての役割だけでなく、既存のエネルギー供給体制に大きな影響を与えるであろう。他にも、EV向け車載電池や、埋め込み型の健康監視センサー(インスリンポンプ、血圧モニターなど)・ウェアラブルデバイス(スマートコンタクトレンズ・スマート歯列矯正具など)への活用が期待されている。これらの例では、コストや安全性に優れた全固体電池が製品の普及におけるボトルネックを解消するであろう。
 過去にリチウムイオン電池が社会を大きく変えたように、全固体電池の登場が既存の産業構造を大きく変える可能性を秘めている。エネルギー産業や自動車産業以外でも、当該技術による事業への影響を検討すべきであろう。

(※1)富士経済による全固体電池の市場レポート(2019年10月)
(※2)トヨタ自動車は2019年に小型EVで実験走行に成功しているが、実用化や量産化のためにはまだ技術的ハードルがあるとしている。(2020年1月)
(※3)酸化物系では積層セラミックコンデンサ(MLCC)の量産技術、樹脂系では印刷産業で用いられる製造過程(R2R)を転用することができる。
(※4)TDKは基盤に直接リフロー可能な全固体電池「CeraCharge」を2017年から生産している。
村田製作所は補聴器などに採用する全固体電池を2020年下期に、ワイヤレスイヤホン向けの高容量全固体電池を2021年までに量産開始する見通しである。(2020年8月)
(※5)リアルタイムクロックとはコンピュータなどの電子機器に内蔵された時計であり、機器の電源が切れた場合でも時間を計測できるようにバックアップ電源が備え付けられている。
(※6)樹脂系の全固体電池を開発するベンチャー企業のAPBは2021年に生産工場の操業を開始し、量産技術の早期確立を目指している。
(※7)蓄電池の設置費用の相場はリショップナビのサイトを参考に設定した。
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