電気自動車が世界の道路でガソリン車に完全に取って代わるには、全く新しいタイプのバッテリーが必要になるでしょう。過去10年間、リチウムイオンバッテリーのエネルギー密度と寿命は着実に向上してきましたが、新型EVのセルは、ほぼすべての性能指標において内燃機関に遅れをとっています。ほとんどのEVの航続距離は300マイル（約480km）未満で、バッテリーパックの充電には1時間以上かかり、セルは10年以内に容量の3分の1近くを失います。さらに、可燃性材料を使用しているため、深刻な安全リスクを伴います。
これらの問題の解決策は数十年前から知られていました。それは全固体電池と呼ばれ、一見すると単純なアイデアに基づいています。従来の液体電解質（リチウムイオンを電極間で輸送する物質）の代わりに、固体の電解質を使用します。また、電池の負極、つまりアノードは純粋なリチウム金属で作られています。この組み合わせにより、エネルギー密度が飛躍的に向上し、超高速充電が可能になり、電池の発火リスクも排除されます。しかし、過去40年間、この期待に応える全固体電池を製造できた企業は誰もいませんでした。今年初め、QuantumScapeという秘密主義のスタートアップ企業がこの問題を解決したと発表したのです。そして今、同社はそれを証明するデータを手に入れました。
火曜日、クォンタムスケープの共同創業者兼CEOであるジャグディープ・シン氏は、同社の全固体電池の試験結果を初めて公表した。シン氏によると、この電池は、寿命の短さや充電速度の遅さなど、これまで全固体電池を悩ませてきた主要な課題をすべて解決したという。クォンタムスケープのデータによると、このセルは15分で容量の80%まで充電でき、800回の充電サイクル後も80%以上の容量を維持し、不燃性で、セルレベルで1リットルあたり1,000ワット時を超える体積エネルギー密度を誇り、これは市販されている最高級のリチウムイオンセルのほぼ2倍に相当する。
「ソリッドステートの問題を解決したのは我々が初めてだと考えています」と、シン氏は発表に先立ちWIREDに語った。「他のソリッドステートシステムは、これに匹敵するものはありません。」
クォンタムスケープのバッテリーセルは、トランプほどの大きさと厚さです。正極（カソード）はニッケルマンガンコバルト酸化物（NMC）でできており、これは今日のEVバッテリーで広く使用されている材料です。負極（アノード）は純粋なリチウム金属でできていますが、アノードなしで製造されているため、正確にはアノードが存在しないと表現します。バッテリーの使用中に放電すると、すべてのリチウムがアノードからカソードへと流れます。アノード側に残った空隙（人間の髪の毛よりも細い）は、一時的にアコーディオンのように圧縮されます。バッテリーを充電すると、このプロセスが逆転し、リチウムイオンが再びアノード空間に流れ込みます。
「このアノードフリー設計は重要です。なぜなら、現在の製造設備でリチウム金属電池を製造できるのはおそらくこれが唯一の方法だからです」と、カーネギーメロン大学でリチウム金属電池の研究に携わり、QuantumScapeの技術顧問を務める機械工学者のベンカット・ヴィスワナサン氏は語る。「アノードフリーは、このコミュニティにとって大きな課題でした。」
しかし、QuantumScape社の固体電池における画期的な進歩の鍵は、正極と負極の間にある柔軟なセラミックセパレーターです。このセパレーターこそが、固体電池の「固体」を構成する材料です。従来のセルの電極間にある液体電解質と同様に、その主な機能は、充放電時にリチウムイオンを一方の端子からもう一方の端子へ運ぶことです。従来のセルとの違いは、固体セパレーターが、充電サイクル中にリチウム金属負極上に形成される金属の突起であるリチウムデンドライトが電極間を蛇行して短絡を引き起こすのを防ぐバリアとしても機能することです。
Quantumscape提供
アルゴンヌ国立エネルギー貯蔵科学共同センターの所長、ベンカット・スリニヴァサン氏は、シカゴ郊外にある国立研究所で、ほぼ10年にわたり全固体電池の研究に取り組んできた。スリニヴァサン氏によると、リチウムイオンが電極間を自由に移動できると同時に、デンドライトを遮断するセパレーター材料を見つけることが、これまで最大の課題だったという。研究者たちは通常、可塑性ポリマーか硬質セラミックのいずれかを用いてきた。ポリマーは液体電解質電池のセパレーター材料として最適だが、デンドライトを遮断できないため、全固体電池には適していない。また、実験的な全固体電池に使用されているセラミックのほとんどは脆すぎて、数十回の充電サイクルしか持続しない。
「これらの樹状突起は木の根のようなものです」と、QuantumScapeの研究には関わっていないスリニヴァサン氏は語る。「私たちが解決しようとしている問題は、この根系の成長を固体で機械的にどうやって止めるかということです。イオンを行き来させなければならないので、何でも好きなように配置できるわけではありません。そうしないと、バッテリーは機能しません。」
リチウムイオン電池は複雑なシステムであり、長年にわたり着実に改良が進められてきたのは、セルの一部を調整するだけで、予期せぬ形で性能が変化する連鎖的な影響がしばしば生じるためです。より優れた電池を開発するには、研究者は様々な材料を体系的に調査し、最終的に最適な材料を見つける必要があります。これは非常に時間のかかる作業です。シン氏によると、クオンタムスケープ社が要件を満たす固体セパレーターを見つけるまでに、10年の歳月と3億ドルの研究開発費がかかったとのことです。シン氏はその材料を明かしませんでしたが（それが同社の秘密兵器であるため）、その材料は安価で容易に入手できるとのことです。「『この材料は使えるから、さあ作ってみろ』という神の啓示を受けたわけではありません」とシン氏は言います。「多くの行き詰まりを経験しました。しかし、自然は要件を満たす材料を提供してくれました。そして幸運なことに、体系的な探索プロセスを通して、それを見つけることができたのです。」
シン氏は、クォンタムスケープのバッテリーは、EVを主流へと押し上げる画期的な性能向上をもたらすと述べている。そう考えているのはシン氏だけではない。同社はビル・ゲイツ氏やヴィノッド・コスラ氏といった投資家を擁し、テスラの共同創業者であるJB・ストラウベル氏をはじめとするバッテリー業界の巨頭数名が取締役会に名を連ねている。世界最大の自動車メーカーであるフォルクスワーゲンは、クォンタムスケープに3億ドル以上を投資しており、早ければ2025年には自社のEVの一部にこの固体電池を採用する予定だ。
もちろん、QuantumScapeとVWだけが全固体電池開発に取り組んでいる企業ではありません。トヨタも全固体電池を開発しており、同社は今年の東京オリンピックで発表する予定でしたが、パンデミックの影響で延期されました。VWと同様に、トヨタも2025年までに全固体電池を公道で走らせる計画です。しかし、今年初め、トヨタのパワートレイン部門副社長である海田啓二氏は、業界誌「Automotive News」に対し、電池の寿命が限られているため、まだ改善の余地があると語りました。トヨタの担当者はWIREDのコメント要請には応じませんでした。
設立6年のスタートアップ企業であるソリッドパワー社も、実際に機能する全固体電池を開発し、コロラド州のパイロットプラントで10層を積層した試作電池の生産を開始した。クオンタムスケープ社と同様に、これらの電池はリチウム金属アノードとセラミック固体電解質を備えている。ソリッドパワー社の電解質は硫化物ベースで、高い導電性と既存の製造プロセスとの互換性があるため、全固体電池には適した化学物質だ。同社はフォード、BMW、ヒュンダイなど多くの自動車メーカーと提携しているが、自動車の認定プロセスが長期にわたるため、同社幹部は2026年より前に自社の電池が路上を走るのは見込んでいない。ソリッドパワー社はまだ自社の電池に関するデータを公開していないが、今週木曜日にはより大きな電池を発表し、その性能データを初めて公表するとみられている。
「固体電池は車両の電動化を実現する上で大きな可能性を秘めているため、固体電池の競争はますます熾烈になっています」と、ソリッドパワーのCEOであるダグ・キャンベル氏は述べています。「これは最終的に、EVの航続距離の延長、信頼性の向上、そして低コスト化につながります。」
QuantumScapeの性能データは素晴らしいものですが、重要な注意点があります。すべてのテストデータは個々のセルで生成されたもので、技術的には完全なバッテリーではありません。QuantumScapeが発表した薄型セルは、約100個の他のセルと積み重ねられ、トランプ一組ほどの大きさの完全なセルを形成する予定です。EVに電力を供給するには、このような積み重ねられたバッテリーが数百個必要になりますが、同社は今のところ完全に積み重ねられたセルのテストを行っていません。
スリニヴァサン氏によると、バッテリーを単一セルのサブユニットから完全なセル、そして最終的には完全なバッテリーパックへとスケールアップさせると、多くの問題が生じる可能性があるという。バッテリーを少量生産する場合、製造工程で発生する欠陥を排除するのは容易だと彼は言う。しかし、バッテリーを大規模に製造し始めると、欠陥の制御が難しくなり、バッテリーの性能を急速に低下させる可能性がある。「小規模では非常に有望に見える材料でも、スケールアップするとこれらの欠陥がより大きな問題になる可能性があります」とスリニヴァサン氏は言う。「現実世界での運用は、研究室規模の運用とは大きく異なります。」
ミシガン大学でエネルギー貯蔵を専門とする機械エンジニアのジェフ・サカモト氏（QuantumScapeには関わっていない）も同意見だ。同氏は、リチウム金属固体電池の基本的な機械的特性については依然として大きな知識ギャップがあり、この技術を商業化する際には問題が生じる可能性があると指摘する。同氏は、材料特性が完全に理解される前に技術を発売した場合の結果の例として、世界初の民間ジェット旅客機である不運なデ・ハビランド・コメットを挙げる。コメットが離陸して間もなく、機体に使用されている金属の劣化プロセスを技術者が十分に理解していなかったため、何度か空中分解事故を起こした。固体電池の場合、民間ジェット機よりもリスクはいくらか低い（結局のところ、電池は極めて安全であるように設計されている）が、市場に出た電池が予期せぬ性能問題に見舞われれば、交通機関の電動化が遅れる可能性がある。
「リチウム金属の機械的挙動、そしてリチウムの物理的性質が固体電池の実現可能性にどのような影響を与えるかについて、ほとんど何も分かっていないことに驚いています」と坂本氏は語る。「こうした知識のギャップが、リチウム金属固体電池の普及にどの程度影響するかは分かりません。しかし、基本的な挙動についてより深く理解すればするほど、普及への道筋はよりスムーズになるでしょう。」
シン氏は、クオンタムスケープ社のバッテリーが研究室から出て実車に搭載されるまでに解決しなければならない課題に動じていない。シン氏にとって、同社は固体電池の商業化を阻んできた難題を既に解決済みだ。「残された課題を軽視するつもりはありません」とシン氏は言う。「しかし、これはうまくいくかどうかの問題ではなく、エンジニアリングの問題なのです。」
クォンタムスケープは今年初め、特別買収会社を通じて上場し、既に巨額のバランスシートに約7億ドルを追加した。シン氏によると、同社は現在10億ドル以上の資金を保有しており、生産開始には十分すぎるほどだという。同社が破綻するはずがないと思われるが、投資家たちはA123システムズとエンビア・システムズについても同様の考えだった。この2社は、画期的なEVバッテリーを約束して既存自動車メーカーから巨額の資金を調達したものの、セルの性能が期待に応えられず、破綻した。クォンタムスケープは、商用固体電池を提供する最初のスタートアップ企業になる可能性は十分にあるが、同社の道のりはまだ長い。
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