全固体電池の性能を決めている「見えない抵抗」が、どこでどれくらい生まれているのか。
その正体であるナノスケールの空間電荷層を、ドイツと日本の研究チームが初めて精密に“見える化”しました。
ドイツのMax Planck Institute for Polymer Research（MPI-P）と東京大学の研究者が、全固体電池の空間電荷効果を解析した研究を実施した。
研究チームは、充放電時に追加の抵抗を生む「空間電荷層」の空間的な広がりと抵抗値を、先端の顕微鏡技術を用いて世界で初めて定量化することに成功した。解析の結果、空間電荷効果は主に 正極界面 で発生し、厚さ50ナノメートル未満 の極薄の電荷層を形成していることが判明した。このわずかな層が、電池全体の抵抗の約7％ を占めていることが明らかになった。
研究チームは薄膜モデル電池を作製し、ケルビンプローブフォース顕微鏡（KPFM） と 核反応解析法（NRA） を組み合わせることで、電池断面の電位分布と正極界面でのリチウム蓄積を オペランド（実働）環境下で 解析した。この研究成果は2025年11月に『ACS Nano』に掲載され、全固体電池の設計指針に新たな光を当てている。
【編集部解説】
全固体電池の実用化に向けた最大のボトルネックとして語られてきた「界面問題」の中身が、いま一段深いレベルで解像されつつあります。エネルギー密度や安全性といった指標の裏側で、正極と固体電解質の境界に生じる空間電荷層が、これまで静かに性能を削ってきました。
この研究で特に重要なのは、「空間電荷層がどれくらいの厚さで、どれくらい抵抗になっているのか」を実測ベースで定量化した点です。厚さが50ナノメートル未満というナノスケールの層が、全体抵抗の約7％を占めうると示されたことで、これまでは理論上の“やっかい者”だった空間電荷が、設計上きちんと扱うべきパラメータとして可視化されました。
また、この層が充電状態によって振る舞いを変える「動的」な存在だと示されたことで、急速充電時や温度環境が変化した際のセル設計にも直結してきます。「どのSOCレンジで抵抗が増大するのか」「どの電解質と正極の組み合わせなら影響を最小化できるのか」といった検証の土台が整ったとも言えます。
技術的にユニークなのは、KPFM（表面電位計測） と NRA（元素分布解析） という、もともと電池以外の分野でも使われてきた計測技術を、薄膜モデル電池に適用した点です。電池断面を探針でスキャンしながら電位分布をリアルタイムに観察し、同時に界面でのリチウム蓄積を検出することで、「どこに電位の段差があり、どこにイオンが溜まっているのか」を、その場観察に近いかたちで結びつけています。
これは、シミュレーションやマクロなインピーダンス測定だけでは埋めきれなかったギャップを、実測データでつないだ成果です。全固体電池の研究では「エネルギー密度」「サイクル寿命」が先に語られがちですが、その根本にあるインターフェースの電位勾配や元素分布が、どのように変化しているかがようやく具体的に追えるようになってきました。
この成果が意味するのは、「材料開発の勘どころ」が少し具体的な指針に落ちてくる、ということです。例えば、正極材料の組成や結晶構造、固体電解質との接触状態を変えたときに、空間電荷層の厚さや抵抗への寄与がどう動くかを、今後の研究で比較検証しやすくなります。その結果として、同じエネルギー密度でも内部抵抗の低いセル設計や、高電圧・高速充放電に耐えられるインターフェース設計が、より合理的に狙えるようになります。
一方で、リスクや課題も見えてきます。空間電荷層が動的に変化するということは、使用履歴や温度、SOCレンジによって界面の状態が大きく変わりうるため、劣化メカニズムの複雑さが増す可能性があります。また、こうしたナノスケール解析は実験室レベルでは強力なツールですが、量産ラインで毎回モニタリングできるわけではありません。「どう現場の品質管理指標に翻訳するか」は、今後の大きなテーマです。
それでも、規制や産業側へのインパクトは小さくありません。全固体電池がEVやグリッドストレージに本格採用される際には、安全性だけでなく、サイクル寿命や高速充電時の発熱・効率が評価項目になります。その裏側にある界面設計に、今回のような計測技術が「なぜこの設計なのか」という理由づけを与えてくれる可能性があります。
中長期的には、ISOやIECレベルのテストプロトコルや、各国の認証試験においても、インターフェース挙動を意識した評価軸が組み込まれていくかもしれません。セル単体のスペックシートだけではなく、「界面をどう制御しているか」がメーカーごとの差別化要因になっていく未来も想像できます。
【用語解説】
全固体電池（all-solid-state battery）
電解質に液体ではなく固体材料を用いる二次電池の総称だ。高エネルギー密度や安全性の向上が期待され、EVや蓄電システム向けに研究開発が進んでいる。
空間電荷層（space charge layer / space charge effects）
電極と電解質などの界面付近に、イオンや電荷が偏って分布することで形成される層のことだ。電位の段差や追加の抵抗を生み、イオン移動や電池性能に影響を与える。
ケルビンプローブフォース顕微鏡（KPFM）
原子間力顕微鏡（AFM）の一種で、探針と試料の間の接触電位差を測定し、ナノスケールで表面電位分布を可視化する手法だ。電池材料やデバイス内部の電位マッピングに利用される。
核反応解析法（NRA）
高エネルギーイオンを試料に照射し、核反応から得られる放出粒子を解析することで、特定元素の深さ分布を求める手法だ。リチウムなど軽元素の分布解析に用いられる。
【参考リンク】
Max Planck Institute for Polymer Research（外部）
ドイツ・マインツにある高分子研究所の公式サイトで、材料科学やエネルギー関連研究の情報を発信している。
ACS Nano（外部）
American Chemical Societyが刊行するナノサイエンス分野の国際誌で、全固体電池や界面解析の最新論文が多数掲載されている。
electrive.com（外部）
電動モビリティに特化したオンラインメディアで、EVや充電インフラ、バッテリー技術のニュースと分析を英語で提供している。
The University of Tokyo – School of Engineering（外部）
東京大学工学系研究科・工学部の公式サイトで、エネルギー工学や材料工学など電池関連研究室の情報にアクセスできる。
【参考動画】
【参考記事】
Higher, faster, further with all-solid-state batteries（外部）
MPI-Pによるプレスリリースで、空間電荷層の厚さが50nm未満で全抵抗の約7％を占めることなど、計測結果を詳しく解説している。
Characterizing Electrode Materials and Interfaces in Solid-State Batteries（外部）
ACS Chemical Reviewsの総説で、全固体電池の電極・界面評価手法を体系的に整理し、KPFMやNRAの位置づけも俯瞰している。
Fast Charging of Lithium-Ion Batteries: A Review of Materials Aspects（外部）
急速充電時の材料・界面課題をまとめたレビューで、今回の全固体電池研究が高速充電や劣化挙動に与える示唆を考えるための背景資料になる。
【編集部後記】
今回の記事は、全固体電池の「見えないインターフェース」をどう設計していくか、というかなりコアなテーマでした。もしEVや蓄電池に「乗る側」だけでなく「中で何が起きているのか」にも少しでも興味が湧いてきたら、ぜひ一度、自分なりの「理想のバッテリー像」を言葉にしてみてください。
安全性なのか、充電速度なのか、寿命なのか――どこに価値を感じるかで、今回のような研究の見え方も変わってくるはずです。こうした“深部の技術”を、これからも一緒に追いかけていけたらうれしいです。
