酸化物系全固体リチウムイオン電池における薄膜塗布

最終更新日：2026.03.10

全固体リチウムイオン電池の研究開発・実用化は材料系ごとに進展しており、硫化物系・酸化物系に加えて、近年ではポリマー系など、それぞれで技術革新が続いています。
当コラムでは、酸化物系全固体リチウムイオン電池における薄膜形成に焦点を当て、その研究開発や製造に有効な塗布技術について解説します。

酸化物系全固体リチウムイオン電池とは

全固体リチウムイオン電池とは、従来の液体電解質の代わりに固体電解質を用いたリチウムイオン電池です。
電解質を固体化することで、液漏れや発火リスクの低減のほか、動作可能な温度範囲の拡大や、長寿命化などが期待されています。
現在は、車載用途を見据えた大型セルから、センサーやIoT機器向けの小型電源まで、さまざまなスケールで研究開発が進んでいます。

全固体リチウムイオン電池は、使用する固体電解質の材料によって特徴が異なります。
中でも酸化物系の固体電解質を用いるものが、「酸化物系全固体リチウムイオン電池」です。
化学的・熱的に安定しており、大気中でも取り扱いやすいという特長があります。
別種の硫化物系と比較すると、イオン伝導度では劣る場合もありますが、材料の安定性や既存プロセスとの親和性が高いことから、小型かつ高い安全性が求められる用途を中心に研究が進んでいます。

酸化物系全固体リチウムイオン電池における界面形成の重要性

全固体リチウムイオン電池では、電極と固体電解質が直接接触するため、界面の状態が電池性能を左右します。
特に、酸化物系全固体リチウムイオン電池で多く採用される「薄膜型」では、膜の緻密性や均一性、密着性などの品質が非常に重要です。
膜のひび割れや、意図しない隙間などが発生すると、電池性能の低下につながり、長期的な信頼性や寿命にも影響を及ぼす恐れがあります。
そのため、酸化物系全固体リチウムイオン電池の製造では、高品質な薄膜形成技術の確立が重要な条件です。

酸化物系全固体リチウムイオン電池の課題

酸化物系全固体リチウムイオン電池は高い安定性を備える一方で、実用化・量産化を見据えるといくつかの技術的課題が残されています。

低コスト化

酸化物系全固体リチウムイオン電池の製造では、高品質な薄膜を形成するため、スパッタリングや蒸着といった真空プロセスが多く用いられてきました。
しかし、これらの方法は装置導入費や維持費が高額であることに加え、真空環境を維持するためのエネルギー消費も大きく、コスト面での負担が大きくなりがちです。

また、製造プロセスだけでなく、使用する材料のコストも重要な要素です。
真空成膜ではターゲット材料の利用効率の低さや材料ロスが課題となる場合もあり、歩留まりの良し悪しが全体のコストに影響します。

製造工程と材料の両面からコストを最適化することが、酸化物系全固体リチウムイオン電池の実用化に向けた重要な検討課題です。

最適な材料の探索

酸化物系全固体リチウムイオン電池では、性能向上やコスト最適化を目指し、さまざまな電極材料・固体電解質材料の探索が進められています。
しかし、スパッタリングや蒸着などの真空プロセスでの成膜を前提とすると、使用できる材料に一定の制約が生じます。

その結果、本来なら検討の対象となるはずの材料であっても、成膜プロセスとの適合性を理由に候補から外れてしまうケースがあります。

材料探索の自由度を広げるためには、性能評価だけでなく、成膜プロセスとの整合性を含めた総合的な視点が求められます。

3D基板への薄膜形成

酸化物系全固体リチウムイオン電池において、3D基板へ薄膜を形成する最大の目的は、膜厚はそのままで有効反応面積を拡大できる点にあります。
固体電解質を用いる場合、厚膜化するとイオン輸送距離の増加につながり、内部抵抗の増大や出力特性の低下を招きます。
そのため、薄膜を維持したまま表面積を増やす3D基板への薄膜形成は、性能向上と高出力化を両立させる有効な設計手法として注目されています。

一方で、真空プロセスでは、3D構造を持つ基盤への均一な成膜が容易ではありません。
溝の底部や側壁への被覆が不十分になったり、位置によって膜厚がばらついたりする懸念があります。

3D基板への薄膜形成を実現するためには、基板形状に柔軟に対応できる技術の検討が不可欠です。

酸化物系全固体リチウムイオン電池の研究開発に有効なソリューション

これらの課題に対応する解決策の一つとして、近年注目されているのが超音波スプレーによる塗膜技術です。
超音波振動によって形成した微細な液滴を噴霧し、基板上に薄く均一に塗布することができます。

ここからは、酸化物系全固体リチウムイオン電池の研究開発において、超音波スプレーがどのような有効性を持つのか解説します。

非真空プロセスによる簡便な薄膜形成

超音波スプレーは、真空チャンバーなどを必要としない非真空プロセスでの薄膜塗布が可能です。
システムが真空プロセスと比較してシンプルな装置で構成されているため、制御も容易です。
そのため、製造プロセスのコスト負担を低減できる可能性があります。

材料利用効率の向上とロス低減

超音波スプレーは、周波数の設定やノズルの選定によってスプレーパターンや液滴サイズを調整できます。それにより、不要な飛散を抑えて必要な領域にのみ塗布することが可能です。
その結果、材料の利用効率が向上し、ロスを低減することで、材料コストの抑制が期待できます。

塗布材料の選択自由度が広がる

超音波スプレーは、あまりにも高粘度の場合は適用が困難な場合があるものの、溶液として調整可能な材料であれば噴霧・塗布が可能です。

そのため、材料特性を起点とした探索が行いやすくなり、成膜プロセス側の制約によって候補材料が限定されるリスクを低減できます。

3D基板への対応

超音波スプレーは、サイズの揃った微細な液滴を安定的に生成し基板上へ均一に塗布することで、膜厚のばらつきを抑えた膜形成が特長です。
このような塗布方法は、液滴が濡れ広がる特性により、凹凸を有する3D基板への薄膜形成にも対応できます。

このように、超音波スプレーは酸化物系全固体リチウムイオン電池の研究開発において、有効な薄膜形成手法の一つといえます。
超音波スプレー装置の中でも、Sono-Tek社のシステムは研究用途から製造検討まで幅広く活用されています。
微細で安定した液滴生成技術と幅広いラインナップで、電池分野などの様々な分野で採用実績があります。