超小型の全固体電池が、IoT時代の扉をひらく

現在広く普及しているリチウムイオン電池に代わる二次電池として、世界中で開発が進められている「全固体電池」。電解液の代わりに不燃性の固体電解質を使用するため、極めて高い安全性と信頼性そして長寿命が期待される次世代電池です。TDKは2020年、世界に先駆けてSMDタイプ^*1のオールセラミック全固体電池「CeraCharge®（セラチャージ）」の製品化に成功。さらに2024年には、従来の約100倍ものエネルギー密度を持つ、新しい全固体電池の材料開発に成功しました。ワイヤレスイヤホンや補聴器、スマートウォッチなどのウェアラブルデバイス用バッテリをはじめ、既存のコイン電池を代替する製品の実現を目指して開発を進めています。

これまでのリチウムイオン電池の課題を解決する次世代電池「全固体電池」

あらゆるモノがインターネットにつながるIoT時代。その本格的な普及の鍵を握るのは、デバイスの小型化や通信性能の向上はもちろん、バッテリ性能にあるといっても過言ではありません。現在、リチウムイオン電池はエネルギー密度の高さから、ノートPCやスマートフォン、ワイヤレスイヤホンなど様々な電子機器のバッテリとして広く普及しており、さらにドローンや電動バイク、EV（電動自動車）などのバッテリとしての活用も進んでいます。しかし、電解質に可燃性の有機溶媒を使用するリチウムイオン電池は液漏れや発火のリスクがあるため、安全で信頼できるIoT機器のバッテリとして、固体電解質を使った「全固体電池」の開発が求められてきました。将来はEVなどの大容量バッテリも全固体電池に代わることが予想され、その市場規模は今後ますます拡大すると見られています。

全固体電池の用途別市場シェア（世界） — 全固体電池の市場シェアは、家電製品をはじめ交通機関、飛行機の用途において急激に拡大することが予想されています。

従来のリチウムイオン電池と全固体リチウムイオン電池の違い — 全固体電池は、液体だったリチウムイオン電池の電解質を固体にすることで、高い安全性と長寿命を実現しています。

TDKが世界に先駆けて開発した、全固体電池の特長とは

世界中のメーカーが全固体電池の開発に取り組むなか、TDKは2020年に世界に先駆けて、SMDタイプの全固体電池「CeraCharge（セラチャージ）」の開発に成功しました。TDKの高度な積層技術をベースに開発され、大量生産しやすいのが特長です。セラミック固体電解質を使用することで液漏れや発火のリスクがなく、4.5mm×3.2mm×1.1mmのサイズで、定格電は1.5V、容量100μAh、動作温度範囲は-20℃～80℃を実現しています。さらに2024年には、TDKが長年培ってきた材料開発技術を活かし、酸化物固体電解質とリチウム合金負極の採用により、現行品よりもはるかに高いエネルギー密度を備えた新たな全固体電池のための材料設計開発に成功しました。

CeraChargeはSMDタイプのため、電池の配置が容易なことから、組み立てコストを抑えることもできます。小型で安全、長寿命といった特長を活かして、様々な環境で使用されるIoT機器への搭載が期待されています。

全固体電池「CeraCharge®」の断面図（模式図） — CeraChargeは、TDKがこれまで培ってきた高度な積層技術を活かして製造されています。

調理用温度計のバッテリとして製品化がはじまる

小型で安全性の高い全固体電池、CeraChargeは様々なIoT製品への導入が始まっています。そのひとつが、調理用温度計のバッテリです。様々な調理用温度計を製造するCookPerfect（本社：デンマーク）の製品で、長さ約15cmの金属製のスティックに、5つの温度センサとBLE（Bluetooth Low Energy）*2の通信モジュール、そして全固体電池CeraChargeが搭載されています。スティック状の温度計本体をかたまりの肉に突き刺すことで、オーブン内で調理される肉の内部温度をスマートフォンでリアルタイムにモニタリングできます。クリスマスディナー用のかたまり肉も理想的な温度で調理できる、画期的な新製品です。

この製品を開発した、CookPerfect社の共同創業者兼マネージングディレクターのマーティン・クロスター氏は、製品についてこう語ります。「CookPerfectの設計を開始した2016年当時には、5つのポイントでの測定と複雑なアルゴリズムを実行でき、本体に内蔵できるバッテリ技術は存在しませんでした。しかし、CeraChargeによって初めて『完全ワイヤレス』の温度計を実現することができました」。高温になるオーブンやバーベキューグリルの中で使用され、食品に直接挿入する製品のため、信頼性や安全性は大切なポイントだったとクロスター氏は話します。「液漏れなどは決してあってはいけません。また、オーブン内でも問題なく使用できる広い温度範囲が必要でした。TDKのCeraChargeは、全固体電池で液漏れのリスクがないこと、直径3.7mmの本体にも設置できるコンパクトなサイズ、そして耐用温度が85℃まであることなどが、採用の決め手となりました」。

CookPerfect社のワイヤレス肉用温度計 — 長さ約15cmの金属製のスティック内部に5つの温度センサと通信モジュール、そして全固体電池「CeraCharge」を搭載。調理しながらリアルタイムで肉の温度のモニタリングが可能。

温度センサと通信機能を組み合わせた肉用温度計のように、今後、様々なセンサを搭載した機器が普及し、本格的なIoT社会の到来が予想されます。多様なサイズや仕様に対応したバッテリのニーズも高まるなか、CeraChargeは現在、スマートメータ用のリアルタイムクロック（RTC）*3やスマートセンサなどの幅広い用途の機器への搭載が検討されています。また、全固体電池は熱安定性に優れていることから、直接身に付けるウェアラブルデバイスのバッテリとしても最適です。

さらに、現在は使い捨てが一般的な小型のコイン電池も、充電可能な二次電池への置き換えが進むと見られており、全固体電池によるコイン電池の実現も期待されます。世界に先駆けて全固体電池を実用化したTDKは、さらに幅広いアプリケーションに対応するため、サイズと容量を増やした製品のラインアップを拡充していきます。ますます拡大するIoT市場をTDKのCeraChargeが支えていきます。

用語解説

SMD：SMD（Surface Mount Device）：表面実装部品のこと。プリント基板の表面にはんだ付けで実装される電子部品。穴の空いたプリント基板にリードで実装する方法よりもスペースを取らず、機器の小型化を実現できる。
BLE（Bluetooth Low Energy）：近距離無線通信技術Bluetoothの規格のひとつ。低消費電力と低コストが特長で、IoT機器のための通信技術として注目されている。
リアルタイムクロック（RTC）：コンピュータや各種機器に内蔵され、システムの電源が切れた状態でも常に時刻を刻み続ける回路。

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