Salget af elbiler er steget eksponentielt i de seneste år, samtidig med at priserne er faldet. Men udbredelsen af elbiler er fortsat begrænset af deres højere pris i forhold til sammenlignelige benzinbiler, selv om de samlede ejeromkostninger for elbiler er lavere.
EV’er og køretøjer med forbrændingsmotor vil sandsynligvis nå op på samme prisniveau engang i løbet af det næste årti. Tidspunktet afhænger af en afgørende faktor: batteriprisen. En EV’s batteripakke tegner sig for omkring en fjerdedel af de samlede omkostninger ved køretøjet, hvilket gør den til den vigtigste faktor for salgsprisen.
Batteripakkepriserne er faldet hurtigt. En typisk batteripakke til elbiler lagrer 10-100 kilowatttimer (kWh) elektricitet. Mitsubishi i-MIEV har f.eks. 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 batteripakke til elbiler over 1.000 USD pr. kWh. Det faldt til 150 dollars pr. kWh i 2019. Udfordringen for bilindustrien er at finde ud af, hvordan man kan få omkostningerne til at falde yderligere.
Energiministeriets mål for industrien er at reducere prisen på batteripakker til under 100 USD/kWh og i sidste ende til omkring 80 USD/kWh. Ved disse batteripriser vil prisen på en elbil sandsynligvis være lavere end prisen på en tilsvarende bil med forbrændingsmotor.
Forudsigelser om, hvornår denne prisovergang vil finde sted, kræver modeller, der tager højde for omkostningsvariablerne: design, materialer, arbejdskraft, produktionskapacitet og efterspørgsel. Disse modeller viser også, hvor forskere og producenter fokuserer deres indsats for at reducere batteriomkostningerne. Vores gruppe på Carnegie Mellon University har udviklet en model for batteriomkostninger, der tager højde for alle aspekter af fremstillingen af batterier til elbiler.
Fra bunden opad
Modeller, der anvendes til analyse af batteriomkostninger, klassificeres enten som “top down” eller “bottom up”. Top-down-modeller forudsiger omkostningerne primært på baggrund af efterspørgsel og tid. En populær top-down-model, der kan forudsige batteriomkostningerne, er Wrights lov, som forudsiger, at omkostningerne falder, efterhånden som der produceres flere enheder. Stordriftsfordele og den erfaring, som en industri opnår med tiden, får omkostningerne til at falde.
Wright’s lov er generisk. Den virker på tværs af alle teknologier, hvilket gør det muligt at forudsige faldet i batteriomkostningerne på baggrund af faldet i solpanelomkostningerne. Wrights lov giver imidlertid – ligesom andre top-down-modeller – ikke mulighed for at analysere kilderne til omkostningsfaldet. Det kræver en bottom-up-model.
For at opbygge en bottom-up-omkostningsmodel er det vigtigt at forstå, hvad der indgår i fremstillingen af et batteri. Lithium-ion-batterier består af en positiv elektrode, katoden, en negativ elektrode, anoden og en elektrolyt samt hjælpekomponenter som f.eks. terminaler og kabinet.
Hver komponent har en omkostning forbundet med materialer, fremstilling, samling, udgifter i forbindelse med vedligeholdelse af fabrikken og generalomkostninger. Til elbiler skal batterier også integreres i små grupper af celler, eller moduler, som derefter kombineres til pakker.
Vores open source, bottom-up batteriomkostningsmodel følger den samme struktur som selve batterifremstillingsprocessen. Modellen anvender input til batterifremstillingsprocessen som input til modellen, herunder specifikationer for batteridesign, råvare- og arbejdskraftpriser, kapitalinvesteringsbehov som f.eks. produktionsanlæg og udstyr, overheadpriser og produktionsvolumen for at tage højde for stordriftsfordele. Den bruger disse input til at beregne produktionsomkostninger, materialeomkostninger og generalomkostninger, og disse omkostninger summeres for at nå frem til den endelige omkostning.
Muligheder for omkostningsreduktion
Med vores bottom-up omkostningsmodel kan vi opdele bidragene fra hver enkelt del af batteriet til den samlede batterikost og bruge disse indsigter til at analysere batteriinnovationers indvirkning på EV-omkostningerne. Materialer udgør den største del af de samlede batteriomkostninger, nemlig ca. 50 %. Katoden tegner sig for ca. 43 % af materialeomkostningerne, og andre cellematerialer tegner sig for ca. 36 %.
Forbedringer af katodens materialer er de vigtigste innovationer, fordi katoden er den største komponent i batteriets omkostninger. Dette skaber stor interesse for råvarepriserne.
De mest almindelige katodematerialer til elbiler er nikkel-kobolt-aluminiumoxid, der anvendes i Tesla-køretøjer, nikkel-mangan-kobolt-oxid, der anvendes i de fleste andre elbiler, og lithium-jernphosphat, der anvendes i de fleste elbusser.
Nikkel-kobolt-aluminiumoxid har den laveste pris pr. energiindhold og den højeste energi pr. masseenhed, eller specifik energi, af disse tre materialer. En lav omkostning pr. energienhed skyldes en høj specifik energi, fordi der er brug for færre celler til at opbygge en batteripakke. Dette resulterer i en lavere pris for andre cellematerialer. Kobolt er det dyreste materiale i katoden, så formuleringer af disse materialer med mindre kobolt fører typisk til billigere batterier.
Inaktive cellematerialer som f.eks. faner og beholdere tegner sig for ca. 36 % af de samlede omkostninger til cellematerialer. Disse andre cellematerialer tilføjer ikke energiindhold til batteriet. Derfor reduceres vægten og størrelsen af battericellerne ved at reducere de inaktive materialer uden at reducere energiindholdet. Dette skaber interesse for at forbedre celledesignet med innovationer som f.eks. batterier uden faner, som f.eks. de batterier, som Tesla driller med.
Batteripakkeomkostningerne falder også betydeligt med en stigning i antallet af celler, som producenterne producerer årligt. Efterhånden som flere batterifabrikker for elbiler kommer i drift, bør stordriftsfordele og yderligere forbedringer i batterifremstilling og -design føre til yderligere omkostningsfald.
Teslas fornyede EV-batterier
Den 22. september afslørede Tesla en række nyskabelser inden for fremstilling af lithium-ion-batterier. Hver ændring har en indvirkning på de endelige omkostninger ved battericellerne og deres ydeevne. Vores model for batteriomkostninger viser, at de ændringer, som Tesla foretager i battericellens størrelse og form, vil resultere i, at batteriets to elektroder, anoden og katoden, tegner sig for 80 % af batteriets omkostninger.
En ændring er en større størrelse på battericellen, hvilket reducerer mængden af pakkemateriale og øger den mængde energi, som hver celle kan lagre. Den nye form reducerer bidraget fra hjælpematerialer til battericellens samlede omkostninger til 15 % i stedet for 35 %. De supplerende materialer er alt andet end anoden, katoden og den energilagrende elektrolyt.
Derved fokuseres der på at reducere omkostningerne på elektroderne. Katoden alene tegner sig nu for 55 % af cellens omkostninger. Tesla beskrev flere ændringer i processen til fremstilling af katoder, som skulle sænke omkostningerne, men det er endnu ikke klart, hvor meget.
En anden ændring, som virksomheden afslørede, er et batteridesign, der fjerner tabs, som er striber af metal, der forbinder anoden og katoden med cellens yderside. Fjernelsen af fanerne sænker omkostningerne og øger produktionsanlæggets gennemstrømning pr. time. Jo flere celler, der kan fremstilles, jo lavere er omkostningerne på grund af stordriftsfordele og forbedringer i fremstillingen.
Det vil sandsynligvis tage omkring tre år, før alle disse ændringer er sat i produktion, og de nye batterier vil dukke op i billigere elbiler, ifølge virksomheden.
Vej til prisparitet
Forudsigelse af en tidslinje for prisparitet med ICE-biler kræver en prognose af den fremtidige udvikling af batteripriserne. Vi vurderer, at en reduktion af råmaterialeomkostningerne, forbedringer af ydeevnen og læring gennem produktion tilsammen sandsynligvis vil føre til batterier med pakkeomkostninger på under 80 USD/kWh i 2025.
Hvis man antager, at batterier udgør en fjerdedel af omkostningerne ved elbiler, giver en batteripakke på 100 kWh til 75 USD pr. kilowatttime en pris på ca. 30 000 USD. Dette skulle resultere i EV-priser, der er lavere end priserne på sammenlignelige modeller af benzindrevne biler.
Abhinav Misalkar bidrog til denne artikel, mens han var kandidatstuderende ved Carnegie Mellon University.
Denne artikel er blevet opdateret den 25. september med oplysninger om Teslas nye EV-batteridesign.