Der Absatz von Elektrofahrzeugen ist in den letzten Jahren exponentiell gestiegen, begleitet von sinkenden Preisen. Die Akzeptanz von E-Fahrzeugen wird jedoch nach wie vor durch ihren höheren Anschaffungspreis gegenüber vergleichbaren Benzinfahrzeugen eingeschränkt, auch wenn die Gesamtbetriebskosten für E-Fahrzeuge niedriger sind.
EVs und Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor werden wahrscheinlich irgendwann im nächsten Jahrzehnt die Gleichheit der Anschaffungspreise erreichen. Der Zeitpunkt hängt von einem entscheidenden Faktor ab: den Batteriekosten. Die Batterie eines E-Fahrzeugs macht etwa ein Viertel der gesamten Fahrzeugkosten aus und ist damit der wichtigste Faktor für den Verkaufspreis.
Die Preise für Batteriepacks sind schnell gefallen. Ein typisches EV-Batteriepaket speichert 10-100 Kilowattstunden (kWh) Strom. Der Mitsubishi i-MIEV hat zum Beispiel eine Batteriekapazität von 16 kWh und eine Reichweite von 62 Meilen, und das Tesla Model S hat eine Batteriekapazität von 100 kWh und eine Reichweite von 400 Meilen. Im Jahr 2010 lag der Preis für ein Elektroauto-Akkupaket bei über 1.000 US-Dollar pro kWh. Im Jahr 2019 ist dieser Preis auf 150 Dollar pro kWh gesunken. Die Herausforderung für die Automobilindustrie besteht darin, herauszufinden, wie die Kosten weiter gesenkt werden können.
Das Energieministerium hat sich zum Ziel gesetzt, den Preis für Batteriepacks auf unter 100 $/kWh und schließlich auf etwa 80 $/kWh zu senken. Bei diesen Batteriepreisen wird der Aufkleberpreis eines Elektroautos wahrscheinlich niedriger sein als der eines vergleichbaren Fahrzeugs mit Verbrennungsmotor.
Die Vorhersage, wann dieser Preisübergang stattfinden wird, erfordert Modelle, die die Kostenvariablen berücksichtigen: Design, Materialien, Arbeit, Fertigungskapazität und Nachfrage. Diese Modelle zeigen auch, worauf Forscher und Hersteller ihre Anstrengungen zur Senkung der Batteriekosten konzentrieren. Unsere Gruppe an der Carnegie Mellon University hat ein Modell der Batteriekosten entwickelt, das alle Aspekte der Herstellung von EV-Batterien berücksichtigt.
Von unten nach oben
Modelle zur Analyse der Batteriekosten werden entweder als „Top-down“ oder „Bottom-up“ klassifiziert. Top-down-Modelle sagen die Kosten in erster Linie auf der Grundlage von Nachfrage und Zeit voraus. Ein beliebtes Top-Down-Modell zur Vorhersage der Batteriekosten ist das Wright’sche Gesetz, das vorhersagt, dass die Kosten sinken, wenn mehr Einheiten produziert werden. Größenvorteile und die Erfahrung, die eine Branche im Laufe der Zeit sammelt, senken die Kosten.
Das Wright’sche Gesetz ist allgemeingültig. Es gilt für alle Technologien, so dass es möglich ist, den Rückgang der Batteriekosten auf der Grundlage des Rückgangs der Solarmodulkosten vorherzusagen. Allerdings erlaubt das Wright’sche Gesetz – wie andere Top-down-Modelle – keine Analyse der Ursachen für den Kostenrückgang. Dafür ist ein Bottom-up-Modell erforderlich.
Um ein Bottom-up-Kostenmodell zu erstellen, ist es wichtig zu verstehen, wie eine Batterie hergestellt wird. Lithium-Ionen-Batterien bestehen aus einer positiven Elektrode, der Kathode, einer negativen Elektrode, der Anode und einem Elektrolyten sowie aus Hilfskomponenten wie Anschlüssen und Gehäuse.
Jedes Bauteil ist mit Kosten für Material, Herstellung, Montage, Instandhaltung und Gemeinkosten verbunden. Für Elektrofahrzeuge müssen die Batterien auch in kleine Gruppen von Zellen oder Modulen integriert werden, die dann zu Paketen zusammengefasst werden.
Unser quelloffenes Bottom-up-Batteriekostenmodell folgt der gleichen Struktur wie der Batterieherstellungsprozess selbst. Das Modell verwendet Inputs für den Batterieherstellungsprozess als Eingaben in das Modell, einschließlich der Spezifikationen für das Batteriedesign, der Rohstoff- und Arbeitspreise, des Investitionsbedarfs für Produktionsanlagen und -ausrüstung, der Gemeinkostensätze und des Produktionsvolumens zur Berücksichtigung von Größenvorteilen. Anhand dieser Eingaben werden die Herstellungskosten, die Materialkosten und die Gemeinkosten berechnet, und diese Kosten werden addiert, um die endgültigen Kosten zu ermitteln.
Möglichkeiten zur Kostensenkung
Mit unserem Bottom-up-Kostenmodell können wir die Beiträge der einzelnen Teile der Batterie zu den Gesamtkosten der Batterie aufschlüsseln und diese Erkenntnisse nutzen, um die Auswirkungen von Batterieinnovationen auf die EV-Kosten zu analysieren. Die Materialien machen mit rund 50 % den größten Anteil an den Gesamtkosten der Batterie aus. Auf die Kathode entfallen etwa 43 % der Materialkosten und auf andere Zellmaterialien etwa 36 %.
Verbesserungen bei Kathodenmaterialien sind die wichtigsten Innovationen, da die Kathode den größten Anteil an den Batteriekosten ausmacht. Dies führt zu einem starken Interesse an den Rohstoffpreisen.
Die gängigsten Kathodenmaterialien für Elektrofahrzeuge sind Nickel-Kobalt-Aluminiumoxid, das in Tesla-Fahrzeugen verwendet wird, Nickel-Mangan-Kobaltoxid, das in den meisten anderen Elektrofahrzeugen verwendet wird, und Lithium-Eisen-Phosphat, das in den meisten Elektrobussen eingesetzt wird.
Nickel-Kobalt-Aluminiumoxid hat von diesen drei Materialien die niedrigsten Kosten pro Energiegehalt und die höchste Energie pro Masseneinheit, oder spezifische Energie. Niedrige Kosten pro Energieeinheit ergeben sich aus einer hohen spezifischen Energie, da weniger Zellen für den Aufbau eines Batteriesatzes benötigt werden. Dies führt zu niedrigeren Kosten für andere Zellmaterialien. Kobalt ist das teuerste Material in der Kathode, daher führen Formulierungen dieser Materialien mit weniger Kobalt in der Regel zu billigeren Batterien.
Inaktive Zellmaterialien wie Tabs und Behälter machen etwa 36 % der Gesamtkosten der Zellmaterialien aus. Diese anderen Zellmaterialien tragen nicht zum Energiegehalt der Batterie bei. Die Reduzierung inaktiver Materialien führt daher zu einer Verringerung des Gewichts und der Größe der Batteriezellen, ohne den Energiegehalt zu verringern. Dies fördert das Interesse an der Verbesserung des Zellendesigns mit Innovationen wie z.B. tabless batteries, wie sie von Tesla angekündigt werden.
Die Kosten für Batteriepacks sinken auch erheblich, wenn die Anzahl der Zellen, die Hersteller jährlich produzieren, steigt. Wenn mehr EV-Batteriefabriken in Betrieb genommen werden, dürften Größenvorteile und weitere Verbesserungen in der Batterieherstellung und im Design zu weiteren Kostensenkungen führen.
Teslas überarbeitete EV-Batterien
Am 22. September hat Tesla eine Reihe von Innovationen bei der Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien vorgestellt. Jede Änderung hat Auswirkungen auf die Kosten der Batteriezellen und ihre Leistung. Unser Batteriekostenmodell zeigt, dass die Änderungen, die Tesla an der Größe und Form der Batteriezelle vornimmt, dazu führen werden, dass die beiden Elektroden der Batterie, die Anode und die Kathode, 80 % der Kosten der Batterie ausmachen.
Eine Änderung ist eine größere Größe der Batteriezelle, die die Menge an Verpackungsmaterial reduziert und die Energiemenge erhöht, die jede Zelle speichern kann. Durch die neue Form wird der Anteil der Hilfsmaterialien an den Gesamtkosten der Batteriezelle von 35 % auf 15 % gesenkt. Zu den Hilfsmaterialien gehören alle Materialien außer der Anode, der Kathode und dem energiespeichernden Elektrolyten.
Damit liegt der Schwerpunkt der Kostensenkung bei den Elektroden. Die Kathode allein macht jetzt 55 % der Kosten der Zelle aus. Tesla beschrieb mehrere Änderungen am Verfahren zur Herstellung von Kathoden, die die Kosten senken sollen, aber es ist noch nicht klar, um wie viel.
Eine weitere Änderung, die das Unternehmen vorstellte, ist ein Batteriedesign, bei dem die Tabs, d.h. die Metallstreifen, die Anode und Kathode mit der Außenseite der Zelle verbinden, entfernt werden. Der Wegfall der Laschen senkt die Kosten und erhöht den stündlichen Durchsatz der Produktionsanlage. Je mehr Zellen hergestellt werden können, desto geringer sind die Kosten aufgrund von Skaleneffekten und Verbesserungen in der Fertigung.
Es wird wahrscheinlich etwa drei Jahre dauern, bis alle diese Änderungen in die Produktion einfließen und die neuen Batterien in preisgünstigen Elektrofahrzeugen eingesetzt werden können, so das Unternehmen.
Auf dem Weg zur Preisparität
Die Vorhersage eines Zeitplans für die Preisparität mit ICE-Fahrzeugen erfordert eine Prognose der zukünftigen Entwicklung der Batteriekosten. Wir gehen davon aus, dass die Senkung der Rohstoffkosten, die Verbesserung der Leistung und der Lernprozess bei der Herstellung zusammen dazu führen werden, dass die Batteriekosten bis 2025 unter 80 $/kWh liegen werden.
Angenommen, die Batterien machen ein Viertel der Kosten eines Elektrofahrzeugs aus, so ergeben sich für ein 100-kWh-Batteriepaket bei 75 Dollar pro Kilowattstunde Kosten von etwa 30.000 Dollar. Dies sollte zu EV-Aufkleberpreisen führen, die niedriger sind als die Aufkleberpreise für vergleichbare Modelle von gasbetriebenen Autos.
Abhinav Misalkar trug zu diesem Artikel bei, während er ein Doktorand an der Carnegie Mellon University war.
Dieser Artikel wurde am 25. September mit Details über Teslas neues EV-Batteriedesign aktualisiert.