Заміна автомобілів, що викидають вуглець, що працюють на газі, на електромобілі потребує зменшення ціни на електромобілі, і це зводиться до одного: вартості акумулятора. Westend61 через Getty Images

Продаж електромобілів за останні роки зросли в геометричній прогресії, супроводжуючись падінням цін. Однак прийняття електромобілів залишається обмеженим вища ціна наклейки відносно порівняних бензинових автомобілів, хоча загальна вартість володіння електромобілями нижча.

Автомобілі з двигунами внутрішнього згоряння та двигуни внутрішнього згоряння, ймовірно, досягнуть паритету цін на наклейку десь протягом наступного десятиліття. Час залежить від одного вирішального фактора: вартості акумулятора. На акумулятор EV припадає близько чверть загальної вартості транспортного засобу, що робить його найважливішим фактором ціни продажу.

Ціни на акумуляторні батареї швидко падають. Типовий акумулятор EV зберігає 10-100 кіловат-годин (кВт-год) електроенергії. Наприклад, Mitsubishi i-MIEV має акумулятор ємністю 16 кВт-год і запас ходу 62 милі, а модель Tesla S має акумулятор потужністю 100 кВт-год і радіус дії 400 миль. У 2010 році ціна акумуляторної батареї EV становила понад 1,000 доларів за кВт-год. Це впало $ 150 за кВт-год у 2019 році. Завданням для автомобільної промисловості є з'ясування, як знизити вартість далі.

Команда Департамент енергетики мета для галузі є зниження ціни на акумуляторні батареї до менш ніж 100 доларів за кВт-год і, зрештою, до приблизно 80 доларів за кВт-год. У цих цінах на батареї ціна наклейки EV, ймовірно, буде нижчою, ніж у порівнянного автомобіля з двигуном внутрішнього згоряння.

Прогнозування того, коли відбудеться перехід ціни, вимагає моделей, що враховують змінні витрат: дизайн, матеріали, робочу силу, виробничі потужності та попит. Ці моделі також показують, де дослідники та виробники зосереджують свої зусилля на зменшенні витрат на акумулятор. Наша група в Університеті Карнегі-Меллона розробили модель витрат на акумулятори, яка враховує всі аспекти виробництва акумуляторних електромобілів.

Знизу вгору

Моделі, що використовуються для аналізу витрат батареї, класифікуються як "зверху вниз" або "знизу вгору". Моделі "зверху вниз" прогнозують вартість на основі переважно попиту та часу. Одна популярна модель зверху вниз, яка може прогнозована вартість батареї є законом Райта, який передбачає, що витрати зменшуються із збільшенням кількості одиниць. Економія від масштабу та досвід, який набуває галузь із часом, зменшує витрати.

Закон Райта є загальним. Це працює у всіх технологіях, що дає можливість передбачити зниження вартості батареї на основі зниження вартості сонячних панелей. Однак закон Райта, як і інші моделі "зверху вниз", не дозволяє аналізувати джерела зниження витрат. Для цього потрібна модель знизу вгору.

Акумуляторна батарея, великий сірий блок, що заповнює шасі на цій схемі електричного автомобіля, вносить більшу частину будь-якого компонента в ціну електромобіля. Свен Лоффлер / iStock через Getty Images

Щоб побудувати модель витрат знизу вгору, важливо зрозуміти, що входить у виготовлення акумулятора. Літій-іонні батареї складаються з позитивного електрода, катода, негативного електрода, анода та електроліту, а також допоміжних компонентів, таких як клеми та кожух.

Кожен компонент має витрати, пов’язані з його матеріалами, виготовленням, збіркою, витратами, пов’язаними з обслуговуванням заводу, та загальновиробничими витратами. Для електромобілів батареї також потрібно інтегрувати в невеликі групи комірок або модулів, які потім об'єднують у пакети.

наш модель з відкритим вихідним кодом, вартість батареї знизу вгору дотримується тієї ж структури, що і сам процес виробництва акумуляторів. Модель використовує вхідні дані для процесу виробництва акумуляторів як вхідні дані для моделі, включаючи специфікації конструкції акумуляторів, ціни на сировину та робочу силу, вимоги до капітальних вкладень, таких як виробничі заводи та обладнання, накладні витрати та обсяг виробництва, щоб врахувати економію від масштабу. Він використовує ці вхідні дані для розрахунку виробничих витрат, матеріальних витрат та загальновиробничих витрат, і ці витрати підсумовуються, щоб отримати остаточну вартість.

Можливості скорочення витрат

Використовуючи нашу модель витрат знизу вгору, ми можемо розбити внесок кожної частини батареї у загальну вартість батареї та використати ці результати для аналізу впливу інновацій акумуляторів на вартість електромобілів. Матеріали складають найбільшу частину загальної вартості батареї, близько 50%. На катод припадає близько 43% вартості матеріалів, а на інші клітинні матеріали - близько 36%.

Удосконалення катодних матеріалів є найважливішими нововведеннями, оскільки катод є найбільшою складовою вартості батареї. Це рухає сильно інтерес до цін на товари.

Найпоширенішими катодними матеріалами для електромобілів є нікель-кобальт-оксид алюмінію використовується в транспортних засобах Tesla, нікель-марганцевий оксид кобальту, що використовується в більшість інших електромобілівта фосфат заліза літію використовується в більшості електробусів.

Оксид алюмінію кобальту нікелю має найнижчу вартість енергії та найвищу енергію на одиницю маси, або питому енергію, з цих трьох матеріалів. Низька вартість одиниці енергії обумовлена ​​високою питомою енергією, оскільки для створення акумуляторної батареї потрібно менше елементів. Це призводить до нижчих витрат на інші клітинні матеріали. Кобальт є найдорожчим матеріалом катоду, тому рецептури цих матеріалів з меншим вмістом кобальту зазвичай призводять до дешевших батарей.

Неактивні клітинні матеріали, такі як вкладки та контейнери, складають приблизно 36% від загальної вартості клітинних матеріалів. Ці інші клітинні матеріали не додають енергії до батареї. Отже, зменшення неактивних матеріалів зменшує вагу та розміри елементів батареї, не зменшуючи енергетичного вмісту. Це стимулює інтерес до вдосконалення дизайну клітин за допомогою таких інновацій, як настільні акумулятори як ті, що дражнили Тесла.

Вартість акумуляторної батареї також значно зменшується зі збільшенням кількості клітин, які виробники виробляють щороку. Як і більше електрозаводів на заводах приходьте онлайн, економія на масштабі та подальше вдосконалення виробництва та дизайну акумуляторів повинні призвести до подальшого зниження витрат.

Шлях до паритету ціни

Прогнозування термінів для цінового паритету з автомобілями ICE вимагає прогнозування майбутньої траєкторії витрат акумулятора. Ми підрахували, що скорочення витрат на сировину, поліпшення продуктивності та навчання завдяки спільному виробництву, ймовірно, призведуть до того, що батареї з витратами на упаковку будуть нижчими за 80 дол.

Якщо припустити, що батареї представляють чверть вартості EV, акумуляторна батарея потужністю 100 кВт-год при 75 доларів за кіловат-годину дає витрати близько 30,000 доларів. Це повинно призвести до того, що ціни на наклейки EV будуть нижчими, ніж ціни на наклейки для порівняльних моделей автомобілів на газовому двигуні.

Про авторів

Венкат Вісванатан, доцент машинобудування, Університет Карнегі-Меллона; Олександр Біллс, к.т.н. Кандидат механічних наук, Університет Карнегі-Меллоната Шашанк Шріпад, к.т.н. Кандидат механічних наук, Університет Карнегі-Меллона

Абхінав Місалкар взяв участь у цій статті, будучи аспірантом університету Карнегі-Меллона.

Ця стаття перевидана з Бесіда за ліцензією Creative Commons. Читати оригінал статті.