De weg naar elektrische voertuigen met lagere stickerprijzen dan gasauto’s – accukosten uitgelegd

Verkoop van elektrische voertuigen zijn de afgelopen jaren exponentieel gegroeid, samen met dalende prijzen. De acceptatie van elektrische voertuigen blijft echter beperkt door hun hogere stickerprijs hoewel vergeleken met vergelijkbare voertuigen op gas de totale eigendomskosten voor elektrische voertuigen zijn lager.

Elektrische voertuigen en voertuigen met verbrandingsmotor zullen waarschijnlijk in de komende tien jaar een gelijkheid van stickerprijzen bereiken. De timing hangt af van één cruciale factor: batterijkosten. De batterij van een elektrische auto is goed voor ongeveer een kwart van de totale voertuigkosten, waardoor het de belangrijkste factor is in de verkoopprijs.

De prijzen van accu’s zijn snel gedaald. Een typische EV-accu slaat 10-100 kilowattuur (kWh) elektriciteit op. Zo heeft de Mitsubishi i-MIEV een accucapaciteit van 16 kWh en een actieradius van 100 kilometer, en het Tesla model S heeft een accucapaciteit van 100 kWh en een actieradius van 400 miles. In 2010 bedroeg de prijs van een EV-batterij meer dan $ 1.000 per kWh. Dat viel op $ 150 per kWh in 2019. De uitdaging voor de auto-industrie is uitzoeken hoe de kosten verder kunnen worden verlaagd.

De Ministerie van Energie doel voor de industrie is het verlagen van de prijs van batterijpakketten tot minder dan $ 100 / kWh en uiteindelijk tot ongeveer $ 80 / kWh. Bij deze accuprijzen is de stickerprijs van een EV waarschijnlijk lager dan die van een vergelijkbaar voertuig met verbrandingsmotor.

Voorspellen wanneer die prijsoverschrijding zal plaatsvinden, vereist modellen die rekening houden met de kostenvariabelen: ontwerp, materialen, arbeid, productiecapaciteit en vraag. Deze modellen laten ook zien waar onderzoekers en fabrikanten hun inspanningen richten op het verlagen van de batterijkosten. Onze groep aan de Carnegie Mellon University heeft een model voor accukosten ontwikkeld dat rekening houdt met alle aspecten van de fabricage van EV-accu’s.

Van onder naar boven

Modellen die worden gebruikt voor het analyseren van batterijkosten worden geclassificeerd als ‘van boven naar beneden’ of ‘van onder naar boven’. Top-down modellen voorspellen de kosten voornamelijk op basis van vraag en tijd. Een populair top-downmodel dat kan voorspelde batterijkosten is de wet van Wright, die voorspelt dat de kosten dalen naarmate er meer eenheden worden geproduceerd. Schaalvoordelen en de ervaring die een industrie in de loop van de tijd opdoet, drukken de kosten.

De wet van Wright is algemeen. Het werkt in alle technologieën, waardoor voorspellen mogelijk is batterijkosten dalen op basis van kosten van zonnepanelen. De wet van Wright staat echter, net als andere top-down modellen, geen analyse toe van de bronnen van de kostendalingen. Daarvoor is een bottom-up model nodig.

Om een ​​bottom-up kostenmodel te bouwen, is het belangrijk om te begrijpen wat er nodig is om een ​​batterij te maken. Lithium-ionbatterijen bestaan ​​uit een positieve elektrode, de kathode, een negatieve elektrode, de anode en een elektrolyt, evenals hulpcomponenten zoals terminals en behuizing.

Aan elk onderdeel zijn kosten verbonden met de materialen, fabricage, montage, kosten in verband met fabrieksonderhoud en overheadkosten. Voor elektrische voertuigen moeten batterijen ook worden geïntegreerd in kleine groepen cellen of modules, die vervolgens worden gecombineerd tot pakketten.

Onze open source, bottom-up batterijkostenmodel volgt dezelfde structuur als het productieproces van de batterij zelf. Het model gebruikt inputs voor het productieproces van batterijen als inputs voor het model, inclusief specificaties voor batterijontwerp, grondstoffen- en arbeidsprijzen, kapitaalinvesteringsvereisten zoals fabrieken en apparatuur, overheadtarieven en productievolume om rekening te houden met schaalvoordelen. Het gebruikt deze inputs om productiekosten, materiaalkosten en overheadkosten te berekenen, en die kosten worden opgeteld om tot de uiteindelijke kosten te komen.

Kostenbesparende mogelijkheden

Met behulp van ons bottom-up kostenmodel kunnen we de bijdragen van elk onderdeel van de batterij aan de totale batterijkosten opsplitsen en die inzichten gebruiken om de impact van batterij-innovaties op de EV-kosten te analyseren. Materialen vormen het grootste deel van de totale batterijkosten, ongeveer 50%. De kathode is verantwoordelijk voor ongeveer 43% van de materiaalkosten en andere celmaterialen zijn verantwoordelijk voor ongeveer 36%.

Verbeteringen in kathodematerialen zijn de belangrijkste innovaties, omdat de kathode het grootste onderdeel van de batterijkosten is. Dit drijft sterk rente in grondstoffenprijzen.

De meest gebruikte kathodematerialen voor elektrische voertuigen zijn nikkel-kobalt-aluminiumoxide gebruikt in Tesla-voertuigen, nikkel-mangaan-kobaltoxide gebruikt in de meeste andere elektrische voertuigenen lithiumijzerfosfaat gebruikt in de meeste elektrische bussen.

Nikkel-kobaltaluminiumoxide heeft de laagste kosten per energie-inhoud en de hoogste energie per eenheid massa of specifieke energie van deze drie materialen. Lage kosten per eenheid energie zijn het gevolg van een hoge specifieke energie omdat er minder cellen nodig zijn om een ​​batterijpakket te bouwen. Dit resulteert in lagere kosten voor andere celmaterialen. Kobalt is het duurste materiaal binnen de kathode, dus formuleringen van deze materialen met minder kobalt leiden doorgaans tot goedkopere batterijen.

Inactieve celmaterialen zoals tabbladen en containers zijn verantwoordelijk voor ongeveer 36% van de totale kosten van celmaterialen. Deze andere celmaterialen voegen geen energie-inhoud toe aan de batterij. Daarom vermindert het verminderen van inactieve materialen het gewicht en de grootte van batterijcellen zonder de energie-inhoud te verminderen. Dit stimuleert de interesse om het celontwerp te verbeteren met innovaties zoals tabloze batterijen zoals die worden geplaagd door Tesla.

De kosten van het batterijpakket nemen ook aanzienlijk af met een toename van het aantal cellenfabrikanten dat jaarlijks produceert. Als meer EV-batterijfabrieken kom onlinemoeten schaalvoordelen en verdere verbetering van de fabricage en het ontwerp van batterijen leiden tot verdere kostendalingen.

Weg naar prijspariteit

Voor het voorspellen van een tijdlijn voor prijspariteit met ICE-voertuigen moet een toekomstig traject van batterijkosten worden voorspeld. We schatten dat verlaging van de grondstofkosten, verbeteringen in prestaties en leren door samen te produceren waarschijnlijk zal leiden tot batterijen met packkosten onder de $ 80 / kWh tegen 2025.

Ervan uitgaande dat batterijen vertegenwoordigen een kwart van de EV-kostenkost een batterijpakket van 100 kWh voor $ 75 per kilowattuur ongeveer $ 30.000. Dit zou moeten resulteren in prijzen voor EV-stickers die lager zijn dan de stickerprijzen voor vergelijkbare modellen van auto’s op gas.