日本ガイシの半固体電池

この記事で分かること

日本ガイシの半固体電池

日本ガイシ（NGK）が開発した「EnerCerLight BANGLE（エナセライトバングル）」は、ライブ会場の定番アイテムである「光るバングル（ペンライトの腕輪版）」に、NGK独自のセラミックス技術を投入した新製品です。

　セラミックスという硬い素材の技術を、「曲がる薄型電池」に応用してエンタメの安全性を高めるという、日本の素材メーカーならではの非常に面白いアプローチと言え、数百人の観客が実際に腕に巻き、激しく動くライブ空間は、ウェアラブル端末の耐久性や無線通信の安定性を試す絶好の実証の場になります。

　前回は発光バングルの概略でしたが、今回はバングルに利用される半固体電池に関する記事となります。

半固体電池とは何か

　半固体電池とは、電気を通す役割を持つ「電解質」を、従来の液体から「ゲル状」や「粘土状」、あるいは「セラミックに少量の液体を染み込ませた状態」にしたリチウムイオン電池のことです。

　現在スマホやEVで主流の「液体電池」と、未来の技術として開発が進む「全固体電池」の、ちょうど中間に位置する次世代電池と言えます。

液体・半固体・全固体の違い

　電池の構造には以下のような違いになります。

• 従来の液体電池（リチウムイオン電池）
  • 状態： 水浸しの状態（電解「液」が入っている
  • 特徴： イオンが動きやすく性能は良いが、傷がつくと液漏れし、ショートすると激しく燃える。
• 半固体電池
  • 状態： 粘土・ゲル状、または固体に少量の液を吸わせた状態
  • 特徴： 液体がほとんど流動しないため、傷がついても液漏れせず、圧倒的に燃えにくい。
• 全固体電池
  • 状態： 完全にカチカチの固体
  • 特徴： 究極に安全で高性能だが、固体の隙間をイオンが移動しにくく、製造コストも極めて高いため、まだ量産が難しい。

なぜ今、半固体電池が注目されているのか

　最大の理由は、「全固体電池の完成を待たずに、現行の工場設備を活かして『今すぐ安全で大容量な電池』を作れるから」です。

1. 抜群の安全性（燃えない）

　液体電池は、釘が刺さったり押し潰されたりすると内部でショートし、電解液がガス化して爆発・炎上します。半固体電池は燃える液体がほぼ無いため、過酷な衝撃を受けても発熱するだけで、発火・炎上まで至りません。

2. 製造コストが抑えられる

　完全な「全固体電池」を作るには、全く新しい専用の製造ラインを一から建設する必要があります。しかし「半固体電池」は、従来の液体リチウムイオン電池の工場設備を大部分そのまま流用できるため、比較的安く、スピーディーに量産化できます。

3. 形の自由度が高い

　液を閉じ込める頑丈な金属缶ケースが不要になるため、今回のように「紙のように薄くする」「曲げる」といった、自由なデザインが可能になります。

　液体電池の「大電流が流れる良さ」を残しつつ、全固体電池の「燃えない安全性」を先取りした、いいとこ取りの現実的な次世代電池が半固体電池です。

電解質にはどんな物質が使われるのか

　半固体電池の電解質は、従来の液体リチウムイオン電池で使われている「電気を運ぶ液体」を、ベースとなる「骨組み（固形物）」に染み込ませたり、混ぜ合わせたりして作られています。

　そのため、使われる物質は「①電力を運ぶ液体成分」と「②それを半固体にする材料」の2つに分けて見ると理解しやすいです。

1. 電力を運ぶ「液体成分」（ベース）

　基本的には従来のリチウムイオン電池に近い成分が使われますが、安全性を高めるために工夫されています。

• リチウム塩（えん）：電気（イオン）を運ぶ主役です。主に LiPF6（六フッ化リン酸リチウム） や、熱に強く分解しにくい LiTFSI（リチウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド） などの特殊な塩が溶かされています。
• 有機溶媒 / イオン液体：上記の塩を溶かすプールのような液体です。燃えにくい「難燃性溶媒」や、室温でも揮発（蒸発）せず火がつかない「イオン液体」という特殊な液体が採用されることが増えています。

2. 半固体にするための「固形材料」

　ここが半固体電池の核心です。メーカーのアプローチによって、主に以下の3つの物質（タイプ）に分かれます。

A. プラスチック系（ゲルポリマー型）

　ゼリーやジェルのような柔軟性を持たせるタイプで、スマートウォッチなどのウェアラブル端末によく使われます。

• PVDF-HFP（ポリフッ化ビニリデン-ヘキサフルオロプロピレン）： 非常にタフで熱に強く、電解液をたっぷり吸い込んでプルプルのゲルにする代表的な樹脂（プラスチックの仲間）です。
• PEO（ポリエチレンオキシド）/ PAN（ポリアクリロニトリル）： イオンをスムーズに通過させる性質を持った高分子化合物です。

B. セラミックス系（液添加型 ★日本ガイシなど）

　硬いセラミックスの骨組みに、ごく微量の液体を吸わせるタイプです。

• 酸化物系セラミックス（LLZOやLATPなど）： リチウム、ランタン、ジルコニウムなどが混ざった特殊なセラミックスです。これ自体が「固体電解質」としての能力を持っており、日本ガイシのEnerCeraも、このセラミックス構造の中に「ごくわずかな電解液」を染み込ませることで、究極の薄さと燃えない安全性を両立しています。

C. 粘土系（クレイ型 ★京セラなど）

　電解液に材料を練り込み、お餅や粘土のような状態にするタイプです（大型の家庭用蓄電池などに採用されています）。

• シリカナノ粒子（SiO2）/ セルロース： 電解液にこれらの非常に細かい粉末や植物由来の繊維を混ぜることで、液体の流動性を奪い、ドロっとした粘土状に変形させます。

　どの物質を使うかは、「スマホのように薄く曲げたい（プラスチック系）」「絶対に燃えない超薄型にしたい（セラミックス系）」「安く大型の蓄電池を作りたい（粘土系）」といった、製品の目的（用途）によって使い分けられています。

なぜゲル状でもイオンが移動できるのか

　見た目は固まって（ゲル化して）いるのに、なぜ内部をイオンがスイスイ動けるのか。

　その理由は、ミクロの視点で見ると「高分子の網の目のなかに、イオンが動ける『液体』がたっぷりと満たされているから」です。

　身近な例でいうと、「ゼリー」や「豆腐」と全く同じ構造をしています。ゲル状の電解質の中では、リチウムイオンは主に以下の2つの仕組みで移動しています。

1. 網の目のなかの「液体」を泳ぐ（ビークル伝導）

　ゲル化剤である高分子（ポリマー）が、まるでジャングルジムやスポンジのような、立体的な細かい「網の目」の骨組みを作ります。

　その網の目の隙間に、リチウム塩を溶かした電解液がガッチリと保持されています。上の図の (a) のように、リチウムイオン（Li+）はまわりの液体分子に囲まれながら、網の目の隙間に広がる液体の中を、まるで魚のようにスイスイと泳いで移動します。

2. 高分子の鎖を伝って「手渡し」される（ホッピング伝導）

　一部のゲルポリマーでは、高分子の鎖自体もイオンの移動をアシストします。

　高分子の鎖にある酸素原子などがリチウムイオンと一時的に結びつき、高分子がゆらゆらと動く（セグメント運動）のを利用して、隣の場所へと「手渡しリレー」のようにホッピング（ジャンプ）移動させていきます。

　ゲルは完全にカチカチの固体ではなく、全体の形は崩れないけれど、ミクロな隙間には液体としてのルートがしっかり残っている」ため、液体電池とほぼ変わらないスピードでイオンが移動できるのです。

半固体電池の応用例は何か

　半固体電池は、「燃えにくさ（安全性）」「形の自由度」「現行設備での作りやすさ」という強みを活かし、身近なガジェットから巨大なモビリティまで、幅広い分野で実用化・導入が進んでいます。

1. モバイルバッテリー・ガジェット（最も身近な例）

　近年、スマホ用モバイルバッテリーの発火事故が社会問題化するなか、安全性を最優先した製品への採用が急増しています。

• 国内ガジェットメーカー（CIO、オウルテックなど）：「絶対にカバンの中で燃えない安心感」を強みに、半固体電池を搭載した薄型・軽量のモバイルバッテリーが一般市場へ続々と投入されています。

2. 電気自動車（EV）・小型モビリティ

　全固体電池の実用化に先駆け、EVの航続距離アップと安全対策の「切り札」として先行導入されています。

• 中国の自動車大手（SAIC・MGブランドなど）：世界初となる半固体電池を搭載した量産型EVの納車をスタート。液体の量を極限まで減らすことで、衝突時の火災リスクを大幅に下げつつ、長距離走行を可能にしています。
• 電動アシスト自転車（eバイク）：世界最大の自転車メーカー「Giant」が、車体軽量化と安全性向上のため、半固体電池を搭載したeバイクの商用化計画を発表しています。

3. ウェアラブル・医療機器・スマートカード

　「薄くできる」「曲げられる」という特徴が最も活きる分野です。

• 医療用パッチ・スマートウォッチ：肌に直接貼り付けるヘルスケアセンサーやスマートウォッチなど、万が一にも発火や液漏れが許されない体に密着するデバイスに採用されています。
• ディスプレイ付きスマートカード：クレジットカードの厚み（1mm以下）に収まる超薄型電池として、指紋認証機能や液晶画面を搭載した次世代決済カードへの組み込みが進んでいます。

4. 住宅用・産業用の大型蓄電池

　もしもの災害時に壊れても火災につながらない、高い防災性能が評価されています。

　家庭用クレイ（粘土）型蓄電池（京セラなど）：電解液を粘土状にした半固体電池を住宅用蓄電システムに採用。長寿命（長持ち）で、震災などで強い衝撃を受けても発火しない安全なホームエネルギーとして普及しています。