Les ventes de véhicules électriques ont connu une croissance exponentielle ces dernières années, accompagnée d’une baisse des prix. Cependant, l’adoption des VE reste limitée par leur prix d’achat plus élevé par rapport aux véhicules à essence comparables, même si le coût global de possession des VE est inférieur.
Les VE et les véhicules à moteur à combustion interne atteindront probablement la parité des prix d’étiquette au cours de la prochaine décennie. Le calendrier dépend d’un facteur crucial : le coût de la batterie. Le bloc-batterie d’un VE représente environ un quart du coût total du véhicule, ce qui en fait le facteur le plus important du prix de vente.
Les prix des blocs-batterie ont baissé rapidement. Un bloc-batterie de VE typique stocke 10 à 100 kilowattheures (kWh) d’électricité. Par exemple, la Mitsubishi i-MIEV a une capacité de batterie de 16 kWh et une autonomie de 62 miles, et la Tesla model S a une capacité de batterie de 100 kWh et une autonomie de 400 miles. En 2010, le prix d’une batterie de VE dépassait les 1 000 dollars par kWh. Ce prix est tombé à 150 dollars par kWh en 2019. Le défi pour l’industrie automobile est de trouver comment réduire davantage le coût.
L’objectif du ministère de l’Énergie pour l’industrie est de réduire le prix des blocs de batteries à moins de 100 $/kWh et, à terme, à environ 80 $/kWh. À ces prix de batterie, le prix d’étiquette d’un VE sera probablement inférieur à celui d’un véhicule à moteur à combustion comparable.
Prévoir quand ce croisement de prix se produira nécessite des modèles qui tiennent compte des variables de coût : conception, matériaux, main-d’œuvre, capacité de fabrication et demande. Ces modèles montrent également où les chercheurs et les fabricants concentrent leurs efforts pour réduire le coût des batteries. Notre groupe à l’Université Carnegie Mellon a développé un modèle des coûts des batteries qui tient compte de tous les aspects de la fabrication des batteries des VE.
De bas en haut
Les modèles utilisés pour analyser les coûts des batteries sont classés soit « top down » soit « bottom up ». Les modèles descendants prédisent le coût en se basant principalement sur la demande et le temps. Un modèle descendant populaire qui peut prévoir le coût des batteries est la loi de Wright, qui prédit que les coûts diminuent à mesure que les unités sont produites. Les économies d’échelle et l’expérience qu’une industrie acquiert au fil du temps font baisser les coûts.
La loi de Wright est générique. Elle fonctionne pour toutes les technologies, ce qui permet de prédire la baisse des coûts des batteries en fonction de la baisse des coûts des panneaux solaires. Cependant, la loi de Wright – comme d’autres modèles descendants – ne permet pas d’analyser les sources des baisses de coûts. Pour cela, un modèle ascendant est nécessaire.
Pour construire un modèle de coût ascendant, il est important de comprendre ce qui entre dans la fabrication d’une batterie. Les batteries lithium-ion sont constituées d’une électrode positive, la cathode, d’une électrode négative, l’anode et d’un électrolyte, ainsi que de composants auxiliaires tels que les bornes et le boîtier.
Chaque composant a un coût associé à ses matériaux, sa fabrication, son assemblage, les dépenses liées à la maintenance de l’usine et les frais généraux. Pour les VE, les batteries doivent également être intégrées en petits groupes de cellules, ou modules, qui sont ensuite combinés en packs.
Notre modèle de coût de batterie ascendant et open source suit la même structure que le processus de fabrication de la batterie lui-même. Le modèle utilise les entrées du processus de fabrication de la batterie comme entrées du modèle, y compris les spécifications de conception de la batterie, les prix des produits de base et de la main-d’œuvre, les exigences d’investissement en capital comme les usines de fabrication et l’équipement, les taux de frais généraux et le volume de fabrication pour tenir compte des économies d’échelle. Il utilise ces entrées pour calculer les coûts de fabrication, les coûts des matériaux et les frais généraux, et ces coûts sont additionnés pour obtenir le coût final.
Les opportunités de réduction des coûts
En utilisant notre modèle de coût ascendant, nous pouvons décomposer les contributions de chaque partie de la batterie au coût total de la batterie et utiliser ces idées pour analyser l’impact des innovations de la batterie sur le coût des VE. Les matériaux représentent la plus grande partie du coût total de la batterie, soit environ 50 %. La cathode représente environ 43 % du coût des matériaux, et les autres matériaux de la cellule représentent environ 36 %.
Les améliorations apportées aux matériaux de la cathode sont les innovations les plus importantes, car la cathode est la plus grande composante du coût de la batterie. Cela suscite un fort intérêt pour les prix des matières premières.
Les matériaux de cathode les plus courants pour les véhicules électriques sont l’oxyde de nickel-cobalt-aluminium utilisé dans les véhicules Tesla, l’oxyde de nickel-manganèse-cobalt utilisé dans la plupart des autres véhicules électriques et le phosphate de fer-lithium utilisé dans la plupart des autobus électriques.
L’oxyde de nickel cobalt aluminium présente le plus faible coût par contenu énergétique et la plus forte énergie par unité de masse, ou énergie spécifique, de ces trois matériaux. Un faible coût par unité d’énergie résulte d’une énergie spécifique élevée car moins de cellules sont nécessaires pour construire un bloc de batteries. Il en résulte un coût inférieur pour les autres matériaux des cellules. Le cobalt est le matériau le plus cher au sein de la cathode, donc les formulations de ces matériaux avec moins de cobalt conduisent généralement à des batteries moins chères.
Les matériaux de cellule inactifs, tels que les languettes et les conteneurs, représentent environ 36 % du coût total des matériaux de cellule. Ces autres matériaux de cellule n’ajoutent pas de contenu énergétique à la batterie. Par conséquent, la réduction des matériaux inactifs permet de réduire le poids et la taille des cellules de batterie sans réduire le contenu énergétique. Cela suscite l’intérêt pour l’amélioration de la conception des cellules avec des innovations telles que les batteries sans languette comme celles qui sont taquinées par Tesla.
Le coût du pack batterie diminue également de manière significative avec l’augmentation du nombre de cellules que les fabricants produisent annuellement. Au fur et à mesure que d’autres usines de batteries pour VE seront mises en ligne, les économies d’échelle et l’amélioration de la fabrication et de la conception des batteries devraient entraîner une nouvelle baisse des coûts.
Les batteries EV remaniées de Tesla
Le 22 septembre, Tesla a révélé une série d’innovations dans la fabrication des batteries lithium-ion. Chaque changement a un effet sur le coût final des cellules de batterie et sur leurs performances. Notre modèle de coût de la batterie montre que les changements apportés par Tesla à la taille et à la forme de la cellule de batterie feront que les deux électrodes de la batterie, l’anode et la cathode, représenteront 80 % du coût de la batterie.
Un changement est une taille plus grande pour la cellule de batterie, ce qui réduit la quantité de matériau d’emballage et augmente la quantité d’énergie que chaque cellule peut stocker. La nouvelle forme réduit la contribution des matériaux auxiliaires au coût total de la cellule de batterie à 15%, contre 35% auparavant. Les matériaux auxiliaires sont tout ce qui n’est pas l’anode, la cathode et l’électrolyte de stockage d’énergie.
Ceci met l’accent de la réduction des coûts sur les électrodes. La cathode seule représente désormais 55% du coût de la cellule. Tesla a décrit plusieurs changements dans le processus de production des cathodes, qui devraient réduire les coûts, mais on ne sait pas encore de combien.
Un autre changement dévoilé par la société est une conception de batterie qui supprime les languettes, qui sont des bandes de métal qui relient l’anode et la cathode à l’extérieur de la cellule. La suppression des languettes réduit le coût et augmente le débit horaire de l’usine de fabrication. Plus le nombre de cellules pouvant être fabriquées est élevé, plus le coût est faible en raison des économies d’échelle et des améliorations de la fabrication.
Il faudra probablement environ trois ans pour que tous ces changements entrent en production et que les nouvelles batteries apparaissent dans les VE à bas prix, selon l’entreprise.
Route vers la parité des prix
Prévoir un calendrier pour la parité des prix avec les véhicules à moteur à combustion interne nécessite de prévoir une trajectoire future des coûts des batteries. Nous estimons que la réduction du coût des matières premières, l’amélioration des performances et l’apprentissage par la fabrication sont susceptibles de conduire à des batteries dont le coût du pack sera inférieur à 80 $/kWh d’ici 2025.
En supposant que les batteries représentent un quart du coût du VE, un pack de batteries de 100 kWh à 75 $ par kilowattheure donne un coût d’environ 30 000 $. Cela devrait se traduire par des prix de vente des VE inférieurs à ceux des modèles comparables de voitures à essence.
Abhinav Misalkar a contribué à cet article alors qu’il était étudiant diplômé à l’Université Carnegie Mellon.
Cet article a été mis à jour le 25 septembre avec des détails sur la nouvelle conception de la batterie des VE de Tesla.