ソフトバンクは11月2日、次世代電池に向けた3つの新技術を開発したことを発表した。同社は今後も次世代電池の研究/開発を継続し、従来よりも高密度かつ高容量なバッテリー(充電池)の実用化に結び付けたいとしている。

 同社は11月3日、「次世代電池」への取り組みを説明するイベントを栃木県宇都宮市の「ソフトバンク次世代電池Lab.(ラボ)」で開催した。この記事では、その模様をお伝えする。

●次世代デバイスの実現には「次世代電池」が欠かせない

 ソフトバンクは2018年から「リチウム空気電池」の開発に取り組んでいる。リチウム空気電池は、大容量バッテリーにおいて現在主流の「リチウムイオン電池」と比べると、理論上のエネルギー密度が数倍に達する。

 高密度バッテリーをコンパクトに作れるようになれば、ドローンやハイエンドロボットなど、次世代のIoTデバイスをより実用的に動かせるようになる。電気自動車も、同じ容積でより走行距離を伸ばすことができる。同社の立場であれば、成層圏通信プラットフォーム「HAPS」や次世代の移動通信システム「6G」の実現に向けたキーデバイスの1つともいえる。

●次世代電池の実現に向けた検証を加速

 ソフトバンクでは社内の体制を強化しつつ、物質・材料研究機構(NIMS)とも協業してリチウム空気電池の実現に向けた研究/開発活動を続けてきた。そして2021年3月、同社はリチウム空気電池を始めとする次世代電池の早期実現を目指して、ソフトバンク次世代電池Lab.を開設することを発表した。

 2021年6月、次世代電池Lab.はエスペックの「バッテリー安全認証センター」内に開設された。エスペックは電子機器や工業製品の環境への影響を調べる「環境試験器」において世界有数のシェアを持つ企業で、試験器の開発などを通して培ったノウハウを生かした各種試験の受託でも定評がある。

●今回開発された新技術は4つ

 今回、ソフトバンクが開発に成功したのは以下の3つの技術。いずれも、リチウム空気電池の実用化に欠かせないものだ。

・全固体電池用正極材料

・MI(マテリアルズ・インフォマティクス)を活用した有機正極材料の性能モデル

・質量エネルギー密度「520Wh/kg」セルの試作と実証

 加えて、軽量の集電体である「次世代樹脂箔」の開発にも成功している。

●ソフトバンクはバッテリーの「高密度化」を優先

 現在の技術では、バッテリーの質量エネルギー密度は「350Wh/kg」が最大となっている。ソフトバンクによると、今回開発された技術を順次適用することで、エネルギー密度を「400〜500カテゴリー(最大550Wh/kg)」、「600〜1000カテゴリー(最大1000Wh/kg)」と引き上げられるという。

 端的にいえば、同社はバッテリーの密度を高めることを優先しているのだ。

 現状のバッテリーには課題がいくつかある。例えば空中に“常駐”し続けるHAPS用の飛行機や人を乗せて飛ぶ「ドローンタクシー」では、バッテリーの出力が重要となる。

 高密度なバッテリーが欠かせないのだが、現状では出力を上げようとするとバッテリーはどうしても重たくかさばってしまう。なぜかというと、現在の一般的なバッテリーはエネルギー密度よりも“寿命”(サイクル回数)を重視しているからだという。

 ソフトバンクでは、まずはサイクル回数が200〜400回程度でも1000Wh/kgクラスのエネルギー密度のバッテリーを開発することで、HAPSなどの実現を実現した上で、そこから長寿命化を進めていく方針を示している。

 バッテリーの高密度化は、HAPS用飛行機やドローンタクシーのような出力の大きさを求められるデバイスを早期実現だけでなく、街中で電気を“ストック”しておくスタイルにもピッタリだという。

●高密度化は段階的に実施

 ソフトバンクは、高密度バッテリーを段階的に実現していく方針である。

 まず、バッテリーの負極(マイナス極)側の活物質をカーボンやシリコンからリチウム金属に切り替える。400〜500カテゴリーのバッテリーであれば、これだけで実現可能だといい、実用化も間近なようだ。

 今回の説明イベントでは、Enpower Greentechと共同で試作/実証した520Wh出力のリチウム金属(空気)電池のセルの実物が展示されていた。このバッテリーの寿命は100サイクル以上で(※1)、この条件でのバッテリーセルの実証に成功したのは世界で初めてだという。

(※1)バッテリーセルの寿命評価は現在も継続中で、第62回電池討議会で発表される予定

 高密度なリチウム金属電池を実現するには、バッテリーの外部と電力をやりとりするための「集電体」の改良や変更も欠かせない。

 従来のバッテリーでは、集電体として銅箔(どうはく)が使われている。しかし、最も薄い銅箔は6μmで、薄型化は限界に近づいている。これだけ薄型化されていても、バッテリーの重量の多くを占めているという。つまり、銅箔にこだわりすぎるとバッテリーのさらなる薄型/軽量化は難しいということでもある。

 そこで開発されたのが、次世代樹脂箔である。この樹脂箔は従来の銅箔と厚みが変わらないように見えるが、手に持つと明らかに銅箔よりも軽いことが分かる。これを採用することで、エネルギー密度は約50Wh/kg改善できるという。

 バッテリーのエネルギー密度を高める際には、安全の確保も欠かせない。その取り組みの1つが全固体電池の開発である。

 現在主流のリチウムイオン電池では、可燃性の液体電解質が使われている。何らかの理由でこの電解質が外に漏れると、引火したり爆発したりすることがある。液体電解質の代わりにポリマー電解質を使う「リチウムポリマー電池」でも成分的には同様のリスクを抱えている。

 そこでソフトバンクは、高密度バッテリーの電解質として「Li10GePS12系固体電解質」を採用した。正極(プラス極)には「リチウム過剰系正極活物質」を用いることで、250mAh/g以上という高容量を実現した。

 こうした過剰系の正極材料は、既に数十年前から高容量化につながるキーアイテムとして知られていた。しかし、電解液との組み合わせで成果が出せずに埋もれていた。固定電解質の技術が進んだことで、再び脚光を浴びるようになった。

 今回の過剰系正極材料は、東京工業大学の菅野了次教授と住友化学との1年半をかけた共同研究の成果だという。

●さらなる高密度化に見合った有機素材はMIを活用して見い出す

 600〜1000カテゴリーのバッテリーを開発する際には、正極材料に有機材料を使うことが想定されている。しかし、ソフトバンクの先端技術開発本部の西山浩司氏(先端マテリアル研究室室長)によると、候補となる有機材料は10の60乗ほどの組み合わせがあるという。さすがに、全てを検証することは非現実的となる。

 そこで用いたのが、慶應義塾大学との共同研究に基づく、MIを用いた性能予測だ。モデルの作成に当たって用いる文献値は50個とそれほど多くはない。しかし、線形モデルを用いることで小規模のデータでも精度の高い性能予測ができるようになったという。西山氏によると、1000カテゴリーを目指せる物質の候補が見つかったとのことだ。

 ただし。これはあくまでも“机上の計算”である。そのことは西山氏も認めているが、予測をすることで有望な材料を見つけるスピードが向上すると期待を込めているようだ。

●エスペックとの協業で「安全性の高い高密度バッテリー」に

 先述の通り、バッテリーの高密度化には安全の確保が欠かせない。開発過程では、その安全性を高めるべく精密な試験が求められる。

 今回、次世代電池Lab.がエスペックのバッテリー安全認証センター内に設けられたのは、同社が持つ試験や認証のための設備やノウハウを生かすことで、安全性の高い高密度バッテリーを開発するためだ。さまざまな電池メーカーが開発した電池セルを検証し、その結果を各社にフィードバックすることで電池開発のスピードアップを図る。

 バッテリーセルの試験は、既にEnpower Greentechの他、Amprius TechnologiesやSion Powerとも共同で進めている。ソフトバンクから各社に対して材料の提案をするなど、連携して次世代電池開発につなげていきたい考え。西山氏は「(ソフトバンクは)セルメーカーになるつもりはない。我々が望む電池が安く出てくればいい。色んなメーカーにフィードバックするような拠点にしたい」と話す。

 ソフトバンクでは、今後も次世代電池Lab.の機能を拡張し、エスペックと連携しながらバッテリーパックやバッテリーモジュールの評価を進めていきたいという。

 将来の事業拡大を見据えて、ソフトバンクでは今後も電池開発を強化していく考えだ。