Sähköautojen myynti on kasvanut räjähdysmäisesti viime vuosina, ja samalla hinnat ovat laskeneet. Sähköautojen käyttöönottoa rajoittaa kuitenkin edelleen niiden korkeampi tarrahinta suhteessa vastaaviin bensiiniautoihin, vaikka sähköautojen kokonaiskustannukset ovat alhaisemmat.
Sähköautot ja polttomoottoriajoneuvot saavuttavat todennäköisesti samanhintaiset hinnat joskus ensi vuosikymmenellä. Ajoitus riippuu yhdestä ratkaisevasta tekijästä: akkujen kustannuksista. Sähköauton akku muodostaa noin neljänneksen ajoneuvon kokonaiskustannuksista, joten se on tärkein tekijä myyntihinnassa.
Akkujen hinnat ovat laskeneet nopeasti. Tyypillinen sähköauton akkupaketti varastoi 10-100 kilowattituntia (kWh) sähköä. Esimerkiksi Mitsubishi i-MIEVin akkukapasiteetti on 16 kWh ja toimintasäde 62 mailia, ja Tesla Model S:n akkukapasiteetti on 100 kWh ja toimintasäde 400 mailia. Vuonna 2010 sähköauton akun hinta oli yli 1 000 dollaria kilowattitunnilta. Se laski 150 dollariin kilowattitunnilta vuonna 2019. Autoteollisuuden haasteena on keksiä, miten kustannukset saadaan laskemaan entisestään.
Energiaministeriön tavoite teollisuudelle on laskea akkupakettien hinta alle 100 dollariin/kWh ja lopulta noin 80 dollariin/kWh. Näillä akkujen hinnoilla sähköauton hinta on todennäköisesti alhaisempi kuin vastaavan polttomoottoriajoneuvon.
Hinnan ylittymisen ajankohdan ennustaminen edellyttää malleja, joissa otetaan huomioon seuraavat kustannusmuuttujat: suunnittelu, materiaalit, työvoima, valmistuskapasiteetti ja kysyntä. Nämä mallit osoittavat myös, mihin tutkijat ja valmistajat keskittävät ponnistelunsa akkukustannusten alentamiseksi. Ryhmämme Carnegie Mellonin yliopistossa on kehittänyt akkukustannusmallin, joka ottaa huomioon kaikki EV-akkujen valmistukseen liittyvät näkökohdat.
Alhaalta ylöspäin
Mallit, joita käytetään akkukustannusten analysointiin, luokitellaan joko ”ylhäältä alaspäin” tai ”alhaalta ylöspäin”. Ylhäältä alas -mallit ennustavat kustannuksia ensisijaisesti kysynnän ja ajan perusteella. Yksi suosittu ylhäältä alas -malli, jolla voidaan ennustaa akkujen kustannuksia, on Wrightin laki, joka ennustaa, että kustannukset laskevat sitä mukaa, kun yksiköitä tuotetaan enemmän. Mittakaavaedut ja kokemus, jonka teollisuus saa ajan myötä, alentavat kustannuksia.
Wrightin laki on yleinen. Se toimii kaikissa tekniikoissa, mikä mahdollistaa akkujen kustannusten laskun ennustamisen aurinkopaneelien kustannusten laskun perusteella. Wrightin laki – kuten muutkin ylhäältä alaspäin suuntautuvat mallit – ei kuitenkaan mahdollista kustannusten laskun lähteiden analysointia. Sitä varten tarvitaan alhaalta ylöspäin suuntautuvaa mallia.
Alhaalta ylöspäin suuntautuvan kustannusmallin rakentamiseksi on tärkeää ymmärtää, mitä akun valmistukseen menee. Litiumioniakut koostuvat positiivisesta elektrodista eli katodista, negatiivisesta elektrodista eli anodista ja elektrolyytistä sekä lisäkomponenteista, kuten liittimistä ja kotelosta.
Kullakin komponentilla on kustannukset, jotka liittyvät sen materiaaleihin, valmistukseen, kokoonpanoon, tehtaan ylläpitoon liittyviin kuluihin ja yleiskustannuksiin. Sähköautoja varten akut on myös integroitava pieniksi kennoryhmiksi eli moduuleiksi, jotka sitten yhdistetään pakkauksiksi.
Avoimen lähdekoodin, alhaalta ylöspäin suuntautuva akkujen kustannusmallimme noudattaa samaa rakennetta kuin itse akkujen valmistusprosessi. Malli käyttää mallin syötteinä akkujen valmistusprosessin panoksia, mukaan lukien akkujen suunnittelumäärittelyt, raaka-aineiden ja työvoiman hinnat, pääomasijoitustarpeet, kuten tuotantolaitokset ja -laitteet, yleiskustannukset ja valmistusvolyymi mittakaavaetujen huomioon ottamiseksi. Se käyttää näitä panoksia valmistuskustannusten, materiaalikustannusten ja yleiskustannusten laskemiseen, ja nämä kustannukset lasketaan yhteen lopullisten kustannusten saamiseksi.
Kustannusten leikkausmahdollisuudet
Alhaalta ylöspäin suuntautuvan kustannusmallimme avulla voimme eritellä akun kunkin osan osuuden akun kokonaiskustannuksista ja käyttää näitä tietoja analysoidaksemme akkuinnovaatioiden vaikutusta sähköautojen kustannuksiin. Materiaalien osuus akun kokonaiskustannuksista on suurin, noin 50 prosenttia. Katodin osuus materiaalikustannuksista on noin 43 prosenttia, ja muiden kennomateriaalien osuus on noin 36 prosenttia.
Katodimateriaalien parannukset ovat tärkeimmät innovaatiot, koska katodi on suurin osa akun kustannuksista. Tämä aiheuttaa voimakasta kiinnostusta raaka-aineiden hintoihin.
Sähköajoneuvojen yleisimmät katodimateriaalit ovat Tesla-ajoneuvoissa käytetty nikkeli-koboltti-alumiinioksidi, useimmissa muissa sähköajoneuvoissa käytetty nikkeli-mangaanikobolttioksidi ja useimmissa sähköbusseissa käytetty litium-rautafosfaatti.
Nikkelikoboltti-alumiinioksidilla on näistä kolmesta materiaalista alhaisin kustannus per energiasisältö ja korkein energia per massayksikkö eli ominaisenergia. Alhainen kustannus energiayksikköä kohti on seurausta korkeasta ominaisenergiasta, koska akkupaketin rakentamiseen tarvitaan vähemmän kennoja. Tämä johtaa muiden kennomateriaalien alhaisempiin kustannuksiin. Koboltti on katodin kallein materiaali, joten näiden materiaalien koostumukset, joissa on vähemmän kobolttia, johtavat yleensä halvempiin akkuihin.
Aktiivisten kennomateriaalien, kuten välilehtien ja säiliöiden, osuus kennomateriaalien kokonaiskustannuksista on noin 36 %. Nämä muut kennomateriaalit eivät lisää akun energiasisältöä. Siksi inaktiivisten materiaalien vähentäminen pienentää akkukennojen painoa ja kokoa vähentämättä energiasisältöä. Tämä lisää kiinnostusta kennosuunnittelun parantamiseen innovaatioilla, kuten välilehdettömillä akuilla, jollaisia Tesla on kehitellyt.
Akkujen kustannukset laskevat myös merkittävästi, kun valmistajien vuosittain valmistamien kennojen määrä kasvaa. Kun yhä useampia sähköautojen akkutehtaita otetaan käyttöön, mittakaavaetujen ja akkujen valmistuksen ja suunnittelun parantamisen pitäisi johtaa kustannusten laskuun entisestään.
Teslan uudistetut EV-akut
Syyskuun 22. päivänä Tesla paljasti joukon innovaatioita litiumioniakkujen valmistuksessa. Jokainen muutos vaikuttaa akkukennojen lopullisiin kustannuksiin ja niiden suorituskykyyn. Akkukustannusmallimme osoittaa, että muutokset, joita Tesla tekee akkukennon kokoon ja muotoon, johtavat siihen, että akun kahden elektrodin, anodin ja katodin, osuus akun kustannuksista on 80 prosenttia.
Yksi muutokseksi on valittu akkukennon suurempi koko, mikä pienentää pakkausmateriaalin määrää ja lisää kunkin kennon varastoitavaa energiamäärää. Uusi muoto vähentää apumateriaalien osuutta akkukennon kokonaiskustannuksista 15 prosenttiin 35 prosentista. Apumateriaaleja ovat kaikki muut paitsi anodi, katodi ja energiaa varastoiva elektrolyytti.
Tällöin kustannusten alentaminen keskittyy elektrodeihin. Pelkän katodin osuus kennon kustannuksista on nyt 55 %. Tesla kuvaili useita muutoksia katodien valmistusprosessiin, joiden pitäisi alentaa kustannuksia, mutta vielä ei ole selvää, kuinka paljon.
Yhtiön esittelemä toinen muutos on akun muotoilu, jossa poistetaan välilehdet, jotka ovat metalliliuskoja, jotka yhdistävät anodin ja katodin kennon ulkopuolelle. Välilevyjen poistaminen alentaa kustannuksia ja lisää valmistuslaitoksen tuntitehoa. Mitä enemmän kennoja voidaan valmistaa, sitä alhaisemmat ovat kustannukset mittakaavaetujen ja valmistuksen parannusten ansiosta.
Yhtiön mukaan kestää luultavasti noin kolme vuotta, ennen kuin kaikki nämä muutokset otetaan tuotantoon ja uudet akut ilmestyvät edullisempiin sähköajoneuvoihin.
Tie hintapariteettiin
Hintatason yhdenvertaisuuden ennustaminen polttomoottoriajoneuvojen hinnanpariteetin saavuttamisen aikataulun mukaan edellyttää akkujen kustannusten tulevan kehityksen ennustamista. Arvioimme, että raaka-ainekustannusten aleneminen, suorituskyvyn parantuminen ja valmistuksen oppiminen yhdessä johtavat todennäköisesti siihen, että akkujen pakkauskustannukset ovat alle 80 dollaria/kWh vuoteen 2025 mennessä.
Jos oletetaan, että akut muodostavat neljänneksen sähköauton kustannuksista, 100 kWh:n akkupaketti maksaa 75 dollaria kilowattitunnilta, jolloin kustannukset ovat noin 30 000 dollaria. Tämän pitäisi johtaa siihen, että EV:n tarrahinnat ovat alhaisemmat kuin vastaavien bensiinikäyttöisten automallien tarrahinnat.
Abhinav Misalkar osallistui tämän artikkelin kirjoittamiseen ollessaan jatko-opiskelijana Carnegie Mellon Universityssä.
Tämä artikkeli on päivitetty 25. syyskuuta, ja siihen on lisätty yksityiskohtia Teslan uudesta EV-akkujen suunnittelusta.