マクセルとJAXAの宇宙向け全固体電池の共同研究

この記事で分かること

マクセルとJAXAの宇宙向け全固体電池の共同研究

　マクセルと宇宙航空研究開発機構（JAXA）は、宇宙環境向け全固体電池の共同研究を行うことを発表しています。

　従来の人工衛星や宇宙機では、一般的な液系リチウムイオン電池が主流ですが、宇宙という過酷な環境下では温度と安全性などの問題がありました。

　マクセルはこれまで民間産業向けに、150℃の高温環境でも動作するコイン形全固体電池（硫化物系固体電解質など）や高耐熱モジュールの開発を進めてきました。この技術をベースに、JAXAと共同で宇宙機向けへの最適化（高エネルギー密度化と長寿命化の両立）を検証します。

全固体電池とは何か

　全固体電池とは、電池を構成するすべての部材（正極・負極・電解質）が「固体」でできている次世代のリチウムイオン電池のことです。

　現在、スマートフォンや電気自動車（EV）などで広く使われている従来のリチウムイオン電池は、内部のイオンを行き来させるために「電解液」という可燃性の液体を使用しています。この液体を「固体電解質」に置き換えたものが全固体電池です。

1. 従来型（液系）との構造の違い

　従来のリチウムイオン電池は、正極と負極の間に液体が満たされており、ショート（短絡）を防ぐために「セパレータ」という仕切りが挟まれています。

　一方、全固体電池では、仕切りと液体の役割を「固体電解質」がすべて兼ね備えています。

2. 全固体電池が「究極の電池」と呼ばれる4つのメリット

　電解質を固体にするだけで、電池の性能は劇的に進化します。

① 圧倒的な安全性（液漏れ・発火リスクの排除）

　従来の電解液は有機溶媒（可燃性のオイルのようなもの）であるため、過充電や衝撃でショートすると、発熱・気化して最悪の場合は激しく発火するリスクがありました。

　全固体電池は素材がすべて固体（無機物など）であるため、液漏れが絶対に起きず、高温になっても燃えにくいという極めて高い安全性を誇ります。

② 充電時間が極めて短い（超急速充電）

　固体電解質は、従来の電解液よりもリチウムイオンが移動するスピードを格段に速くできる設計が可能です。

　これにより、電気自動車（EV）の充電時間を「数時間から数分（10分以下など）」へ劇的に短縮できると期待されています。

③ エネルギー密度が高く、寿命が長い

• 高電圧化・大容量化： 固体であるため、1つのパッケージの中に複数の電池セルを直列で隙間なく積み重ねる（積層化）ことができます。これにより、同じ体積でも劇的に高い電圧と容量を実現できます。
• 劣化しにくい： 液体のように長年の使用で成分が分解したり、結晶が成長してショートしたりする劣化現象が起きにくいため、長寿命です。

④ 動作温度の領域が広い（極寒・極熱に耐える）

　液体は凍結や沸騰（気化）のリスクがあるため、動作温度は通常 -20℃～60℃ 程度が限界です。

　しかし、固体電解質（特に硫化物系など）は-30℃の極寒から 100～ 150℃を超える高温環境でも性能を維持できます。これが、宇宙空間や工場の高温殺菌ラインなどで注目される最大の理由です。

3. 主な種類（素材による違い）

　全固体電池は、使用する固体電解質の種類によって大きく2つ（細分化すると3つ）に分類され、用途ごとに開発が進められています。

種類	特徴	主な用途
硫化物系	イオンが最も動きやすく、大容量・高出力化に向いている。ただし、水（空気中の水分）と反応すると有害な硫化水素ガスが発生するため、厳重な密閉技術が必要。	電気自動車（EV）、大型産業機器
酸化物系	大気中で非常に安定しており、安全性が最も高い。硬いため割れやすく大画面化（大型化）は難しいが、小型化・薄型化が得意。	電子部品、IoTデバイス、宇宙機器、医療機器
ポリマー（高分子）系	柔軟性があり製造しやすいが、イオンの伝導性が上記2つより劣る。	一部のポータブル電源など

4. 実用化に向けた現在の課題

　これほど優秀な全固体電池ですが、本格的な普及（特にEV向けなどの大型化）に向けては、まだいくつかの壁があります。

• 界面（かいめん）の密着性： 充放電を繰り返すと、正極や負極の物質がわずかに膨張・収縮します。液体なら隙間なく追従できますが、固体同士だと隙間（剥がれ）ができやすく、イオンが通れなくなって性能が落ちる課題があります。
• 製造コスト： 現時点では特殊な素材の合成や、水分を完全に排除したクリーンルームでの製造が必要なため、製造コストが従来型の数倍〜十数倍かかります。

　現在、自動車メーカー（トヨタや日産など）や化学・素材メーカー（マクセル、出光興産など）が、これら課題の解決と量産化に向けて世界中で激しい開発競争を繰り広げています。

なぜ宇宙での全固体電池使用が期待されるのか

　宇宙空間での使用が最も期待される最大の理由は、「宇宙の過酷な環境（真空・激しい温度差・放射線）に対して、従来の液体電池よりも圧倒的に強く、宇宙機の設計を根本から変えられるため」です。

1. 液体の「気化（破裂）」と「凍結」の心配がない

　宇宙空間は「超高真空」かつ「極寒・極熱（太陽光が当たると約120℃、日陰に入ると約-150℃）」の世界です。

• 従来の液系電池： 真空状態で高温になると、中の電解液が沸騰・気化して電池がパンパンに膨らみ、最悪の場合は破裂・発火します。逆に日陰では液体が凍結し、機能しなくなります。
• 全固体電池： もともと液体がないため、真空環境でも蒸発（ガス化）の危険が一切ありません。また、固体電解質はマイナス数十℃から100℃以上の高温まで安定して動作できます。

2. 重くてかさばる「温度管理装置」を省ける（軽量化）

　これまでの人工衛星や探査機は、デリケートな液体電池を凍結や沸騰から守るために、ヒーターや冷却配管、分厚い断熱材などの「厳重な温度管理システム」で囲む必要がありました。

　全固体電池にすればこの装置を最小限にできるため、人工衛星を劇的に軽く、小さくできます。 空いたスペースや重量の分、高性能なカメラやセンサーなどの「ミッション機器」を多く積めるようになります。

3. 宇宙放射線によるショートに強い

　宇宙空間には、電子機器を狂わせる強力な「放射線」が飛び交っています。

　従来の電池は、放射線などの影響で内部にリチウムの結晶（デンドライト）が成長し、これが仕切りを突き破ってショート（発火・故障）するリスクが常にありました。全固体電池は、硬い固体電解質が結晶の貫通を物理的に防ぐため、放射線環境下でも寿命が非常に長くなります。

　「環境対策用の重い防護服（温度管理装置）を脱ぎ捨てて、過酷な宇宙に生身で飛び出していけるタフさ」があるからこそ、宇宙での利用が切望されています。

宇宙で使用するにはどんな性能が必要なのか

　宇宙という「一度打ち上げたら二度と修理屋を呼べない世界」で電池を作動させるには、地上の基準とは次元の違う、極めて過酷な要求性能（宇宙環境耐性）をクリアしなければなりません。

具体的には、主に以下の5つの性能が絶対条件となります。

1. 耐真空性（ゼロ・アウトガス性能）

　宇宙はほぼ完全な真空（超高真空）です。

• 求められる性能： 物質からガスが抜けて周囲を汚染する「アウトガス（放出ガス）」を極限まで抑える性能。
• なぜ必要か： 真空環境下では、液体や一部 advocacy（樹脂など）の成分が揮発しやすくなります。電池から漏れ出たガスが、人工衛星の最重要部品である「観測カメラのレンズ」や「太陽光パネル」に付着して曇らせると、数億〜数百億円のミッションがすべて水の泡になるためです。

2. 広い動作温度範囲と「耐熱衝撃性」

　地球周回軌道上の衛星は、約90分で地球を1周します。つまり、45分ごとに「灼熱」と「極寒」が交互にやってきます。

• 求められる性能： -100℃ 以下の極寒から 100℃ 以上の高温まで耐え、かつ急激な温度変化（熱衝撃）が何千回繰り返されても壊れない性能。
• なぜ必要か： 太陽光が当たる「日向」では約120℃、地球の影に入る「日陰」では約-150℃まで機体温度が急変動します。この激しい熱変化による素材の膨張・収縮で、内部がひび割れたり剥離したりしないタフさが求められます。

3. 強烈な耐振動・耐衝撃性（ローンチ環境への適合）

　宇宙機にとって最大の試練の一つが、ロケットでの「打ち上げ（ローンチ）時」です。

• 求められる性能： 強烈な音響振動（JAXAの基準では140デシベル以上）や、数十Gに及ぶ加速・衝撃に耐える強固な構造。
• なぜ必要か： ロケット発射時、内部の精密機器は激しいシェイクと、ブースター分離時の凄まじい衝撃（パイロショック）に晒されます。ここで電池の内部構造が物理的にズレたり、電極が剥がれたりしたら、宇宙に到達する前に一瞬でガラクタになってしまいます。

4. 耐放射線特性

　地球の磁気圏外や高軌道、月面などでは、太陽フレアや銀河宇宙線などの強力な放射線が飛び交っています。

• 求められる性能： 放射線（ガンマ線や重粒子線など）を浴びても、材料が分子レベルで劣化（脆化）しない、あるいは誤作動（ショート）を起こさない性能。
• なぜ必要か： 放射線が電池の絶縁材や半導体基板を突き抜けると、素材の化学結合が破壊され、急激な容量低下や絶縁破壊を引き起こす原因になります。

5. 高い「重量エネルギー密度」

　宇宙ビジネスにおいて、質量（重さ）はコストそのものです。

• 求められる性能： 1kgあたり、あるいは1ccあたり、どれだけ多くの電力を蓄えられるかという「エネルギー密度」の高さ。
• なぜ必要か： 現在のロケット打ち上げコストは、1kgあたり数十万〜数百万円。電池が1kg軽くなるだけで、その分別の観測機器を積むか、打ち上げコストを大きく削減できます。

　このように、宇宙用電池には「絶対に燃えない・漏れない安全性」「過酷な環境にビクともしない堅牢性」、そして「極限の軽さ」という、非常に欲張りな性能が求められます。マクセルとJAXAが開発している全固体電池は、まさにこれらの条件を満たす大本命として期待されています。