QuantumScapeの全固体電池は何が凄いのか。他社全固体電池と比較

米・ベンチャー企業、QuantumScapeは2020年末、同社の全固体電池の性能評価結果を公表した。

その結果からは、驚異的な性能が垣間見える。

他社の全固体電池や、液系の現行リチウムイオン電池と比較して紹介する。

QuantumScapeの全固体電池の性能

エネルギー密度

QuantumScapeの全固体電池は300-400Wh/kgの重量エネルギー密度を発生するとプレスリリースしている。

他社と比較すると、2021年初頭に発表されたNIOの全固体電池は360Wh/kgであり、これと同等の水準のエネルギー密度にいることがわかる。

この高いエネルギー密度について、リチウムイオン電池の開発でノーベル化学賞を受賞したウィッティンガム教授も、QuantumScapeの全固体電池のデモに感銘を受け、以下のようにコメントしている。

something that has never before been reported. If QuantumScape can get this technology into mass production, it holds the potential to transform the industry

Stanley Whittingham, a professor at State University of New York

エネルギー密度に関しては、現状世界トップクラスの性能を持つ。

急速充填

急速充電について、15分で80％まで再充電できるとしている。これは、一般的なEVバッテリーに必要な時間の約3分の1である。

一方で、中国CATLが2021年8月に発表したナトリウムイオン電池はも80％までの充電を15分で完了するとしており、全固体電池であるが故のメリットは大きくないとも考えられる。

広い動作温度

発表内容によれば、–30℃という低い温度で全固体電池が動作する事を確認したとのこと。

発表資料から読み取ると、0℃で約400Wh/kg超、-30℃で約250Wh/kgの重量エネルギー密度を維持できる模様。250Wh/kgは、テスラに採用されているパナソニックのニッケル系リチウムイオン電池と同等のエネルギー密度であり、それを極低温でも動作させられる点が驚きに値する。

充放電サイクル耐久性

800回の充電サイクルで容量の80％以上を維持するとしている。800回の充放電は、すなわち38,000km運転とほぼ同等。

一方で、自動車メーカーが要求する充放電サイクル寿命は3000回以上とすることが多い。これは10年、10万kmをひとつの耐久性の目安とするためであるが、公開されたデータを見ると3000回のサイクル試験でも60％は維持できるように見受けられる。

QuantumScapeの全固体電池の特徴

驚異的な性能を示すQuantumScapeの全固体電池、この性能はどこから得られるのか。一般的な全固体電池と異なる部分を説明する。

固体電解質にLLZOを使用

QuatumScapeは、主要な材料やプロセスの一部など、全固体電池に関する詳細をまだ公表していない。CEOのシン氏は、材料とプロセスは最も厳重に保護されている企業秘密の1つであると述べている。

一部の研究者は、特許出願に基づいて、電解質がLLZOとして知られている酸化物であると考えている。

このLLZOは、アノードに発生するデンドライトの問題を解決するために採用されている。

充放電中にリチウムイオンがアノードに移動する際、微視的な欠陥が増幅される。これにより、バッテリーを短絡させる可能性のあるデンドライトが形成される。

デンドライトの問題の対処のために、QuantumScapeは、ドイツの化学者Werner Weppnerによって開発されたLLZOと呼ばれる新しい材料を利用したと考えられている。

ただし、LLZOはデンドライトの問題の影響を完全に受けないわけではなく、QuantumScapeが実際にこのソリューションを採用しているかどうかは不明瞭。一方で、他の選択肢が不足していることを考えると「LLZOを使用するための洗練されたアプローチを開発することに成功した」と一般的に考えられている。

アノードフリー構造

QuantumScapeの全固体電池は、アノードなしで製造されている。

全固体電池では、バッテリーが充電されると、カソード側のリチウムイオンがセパレーターを通過し、セパレーターとバッテリーの端の電気接点との間に完全に平坦な層を形成する。その後、そのリチウムのほぼすべてが、放電サイクル中にカソードに戻る。

つまり、アノードが動作していないため、アノードが不要となる。QuantumScapeの全固体電池は、アノードをなくすことで、重量と体積がさらに削減され、製造コストも削減できる。

収益の想定

QuantumScapeはまだ製品や収益がない。製品化された電池は一つもないにもかかわらず、現在約200億ドルの企業価値がある。

同社は、すべてが計画どおりに進んだ場合、2025年に販売を開始し、収益は2025年の3900万ドルから、2026年の2億7500万ドル、2027年の32億ドルへと徐々に増加すると予想している。

QuantumScapeに出資するフォルクスワーゲンは、2025年にQuantumScapeの技術で自動車用バッテリーを生産することを目指していると語った。

残る多くの課題

ここまで読むと、QuantumScapeの全固体電池開発は順調に聞こえるが、落とし穴がある。

QuantumScapeが公表している評価結果は、1枚のセルで実行されたラボテストからのもの。実際の自動車用バッテリーは、数十のセルがすべて一緒に機能する必要がある。

また、試作品から商業生産への移行は、電池開発における重要な課題であり、かつて有望だった多くのバッテリーのスタートアップが失敗して点でもある。

他の競合他社は、QuantumScapeがこれまで厳密に1枚のセルをテストしただけであり、2025年までに車載電池としてリリースできるのか、必要な安全性テストを達成できるかどうか、大いに疑問視していることだろう。

そういった意味では、中国NIOの発表した全固体電池は量産時期が2022年Q4と明確であり、QuantumScapeよりも先行しているかもしれない。

また、日本で全固体電池開発のトップをひた走るトヨタ自動車は、その電池の詳細を明らかにしていない(QuantumScapeよりよっぽど情報が出ない)が、同社が2020年代前半に投入するとしている。

これら3社が、全固体電池開発の2020年代前半のメインプレイヤーとなると考える。

それでも投資は先行する

QuantumScapeの開発において、フォルクスワーゲンは2020年6月に出資を2億ドル増やし、投資の多くは全固体電池の研究に集中した。

さらに、Microsoft創設者のビルゲイツ、ドイツの自動車サプライヤーコンチネンタル、中国の自動車メーカーSAICモーター、および多くのベンチャーキャピタルも投資をしている。

この資金力とフォルクスワーゲンのスケールを盾に、計画通り全固体電池を量産できるのか、2025年まで注目していきたい。