Udskiftning af gasdrevne biler med kulstofemissioner med elbiler kræver, at elbilernes prispræmie fjernes, og det kommer ned på én ting: batteriomkostninger. Westend61 via Getty Images

Elbilsalg er vokset eksponentielt de seneste år ledsaget af faldende priser. Imidlertid er vedtagelse af EV'er stadig begrænset af deres højere mærkatpris i forhold til sammenlignelige gasbiler, selvom samlede ejeromkostninger for elbiler er lavere.

Elbiler og køretøjer med forbrændingsmotorer vil sandsynligvis nå paritetsprispariteten engang i det næste årti. Timingen hænger sammen med en afgørende faktor: batteriomkostninger. En EVs batteripakke tegner sig for ca. en fjerdedel af de samlede køretøjsomkostninger, hvilket gør det til den vigtigste faktor i salgsprisen.

Priserne på batteripakker er faldet hurtigt. En typisk EV-batteripakke gemmer 10-100 kilowattimer (kWh) elektricitet. For eksempel har Mitsubishi i-MIEV en batterikapacitet på 16 kWh og en rækkevidde på 62 miles, og Tesla model S har en batterikapacitet på 100 kWh og en rækkevidde på 400 miles. I 2010 var prisen på en EV-batteripakke over $ 1,000 pr. KWh. Det faldt til $ 150 pr. KWh i 2019. Udfordringen for bilindustrien er at finde ud af, hvordan man kan reducere omkostningerne yderligere.

Department of Energy mål for industrien er at reducere prisen på batteripakker til mindre end $ 100 / kWh og i sidste ende til ca. $ 80 / kWh. På disse batteripriser er sandsynligheden, at mærkeprisen på en EV er lavere end et sammenligneligt køretøj med forbrændingsmotorer.

Forudsigelse, hvornår denne prisovergang finder sted, kræver modeller, der tager højde for omkostningsvariablerne: design, materialer, arbejdskraft, produktionskapacitet og efterspørgsel. Disse modeller viser også, hvor forskere og producenter fokuserer deres bestræbelser på at reducere batteriomkostningerne. Vores gruppe ved Carnegie Mellon University har udviklet en model af batteriomkostninger, der tegner sig for alle aspekter af EV-batteriproduktion.

Fra bunden op

Modeller, der bruges til at analysere batteriomkostninger, klassificeres enten som "ovenfra og ned" eller "nedenfra og op". Top-down modeller forudsiger omkostninger primært baseret på efterspørgsel og tid. En populær top-down model, der kan forventede omkostninger til batteriet er Wrights lov, som forudsiger, at omkostningerne falder, efterhånden som der produceres flere enheder. Stordriftsfordele og den erfaring, en industri erhverver over tid, nedbringer omkostningerne.

Wrights lov er generisk. Det virker på tværs af alle teknologier, hvilket gør det muligt at forudsige fald i batteripriser baseret på fald i solpanelomkostninger. Wrights lov tillader imidlertid - ligesom andre top-down-modeller - ikke analyse af kilderne til omkostningsfald. Til det kræves en bottom-up-model.

Batteripakken, den store grå blok, der fylder chassiset i dette diagram over en elbil, bidrager mest af enhver komponent til prisen på en EV. Sven Loeffler / iStock via Getty Images

For at oprette en bottom-up-omkostningsmodel er det vigtigt at forstå, hvad der ligger i at lave et batteri. Lithium-ion-batterier består af en positiv elektrode, katoden, en negativ elektrode, anoden og en elektrolyt samt hjælpekomponenter såsom terminaler og hus.

Hver komponent har en omkostning forbundet med dets materialer, fremstilling, montering, udgifter i forbindelse med fabriksvedligeholdelse og omkostninger. Til elbiler skal batterierne også integreres i små grupper af celler eller moduler, som derefter kombineres i pakker.

Vores åben kilde, bottom-up-batteriprismodel følger den samme struktur som selve batteriproduktionsprocessen. Modellen bruger input til batteriproduktionsprocessen som input til modellen, herunder specifikationer for batteridesign, råvarepriser og arbejdskraftpriser, kapitalinvesteringskrav som produktionsanlæg og udstyr, omkostninger og produktionsvolumen for at tage højde for stordriftsfordele. Det bruger disse input til at beregne produktionsomkostninger, materialeomkostninger og omkostninger, og disse omkostninger summeres for at nå frem til de endelige omkostninger.

Omkostningsbesparende muligheder

Ved hjælp af vores bottom-up-omkostningsmodel kan vi nedbryde bidragene fra hver del af batteriet til de samlede batteripriser og bruge disse indsigter til at analysere indvirkningen af ​​batteriinnovationer på EV-omkostninger. Materialer udgør den største del af de samlede batteripriser, ca. 50%. Katoden tegner sig for omkring 43% af materialeprisen, og andre cellematerialer tegner sig for omkring 36%.

Forbedringer i katodematerialer er de vigtigste nyskabelser, fordi katoden er den største komponent i batteriomkostningerne. Dette kører stærkt interesse i råvarepriser.

De mest almindelige katodematerialer til elektriske køretøjer er nikkelcobalt aluminiumoxid brugt i Tesla-køretøjer, nikkel mangankoboltoxid anvendt i de fleste andre elektriske køretøjerog lithiumjernphosphat bruges i de fleste elektriske busser.

Nikkelcobalt aluminiumoxid har den laveste pris pr. Energiindhold og højeste energi pr. Enhed-masse eller specifik energi af disse tre materialer. En lav pris pr. Energienhed er resultatet af en høj specifik energi, fordi der er behov for færre celler til at opbygge en batteripakke. Dette resulterer i en lavere pris for andre cellematerialer. Kobolt er det dyreste materiale inden for katoden, så formuleringer af disse materialer med mindre kobolt fører typisk til billigere batterier.

Inaktive cellematerialer såsom faner og containere tegner sig for ca. 36% af de samlede omkostninger til cellematerialer. Disse andre cellematerialer føjer ikke energi til batteriet. Derfor reducerer reducering af inaktive materialer vægten og størrelsen af ​​battericeller uden at reducere energiindholdet. Dette skaber interesse for at forbedre celledesign med innovationer som f.eks batterier uden tabeller ligesom dem der bliver drillet af Tesla.

Batteripakkeomkostningerne falder også markant med en stigning i antallet af celler, som producenter producerer årligt. Som flere EV-batterifabrikker kom onlineskal stordriftsfordele og yderligere forbedring af batteriproduktion og -design føre til yderligere omkostningsfald.

Vej til prisparitet

Forudsigelse af en tidslinje for prisparitet med ICE-køretøjer kræver forudsigelse af en fremtidig bane for batteriomkostninger. Vi estimerer, at reduktion i råvarepriser, forbedringer i ydeevne og læring ved fremstilling sammen sandsynligvis vil føre til batterier med pakkeomkostninger under $ 80 / kWh inden 2025.

Antages det, at batterier repræsenterer en fjerdedel af EV-omkostningerne, en 100 kWh batteripakke på $ 75 pr. kilowatt time giver en pris på ca. $ 30,000. Dette skulle resultere i EV-mærkatpriser, der er lavere end mærkatpriserne for sammenlignelige modeller af gasdrevne biler.

Om forfatterne

Venkat Viswanathan, lektor i maskinteknik, Carnegie Mellon University; Alexander Bills, Ph.D. Kandidat i maskinteknik, Carnegie Mellon Universityog Shashank Sripad, Ph.D. Kandidat i maskinteknik, Carnegie Mellon University

Abhinav Misalkar bidrog til denne artikel, mens han var kandidatstuderende ved Carnegie Mellon University.

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons-licens. Læs oprindelige artikel.