A villanyautók eladásai az elmúlt években exponenciálisan nőttek, amit csökkenő árak kísértek. Az elektromos járművek elterjedését azonban továbbra is korlátozza a hasonló benzinüzemű járművekhez viszonyított magasabb önköltségük, még akkor is, ha az elektromos járművek üzemeltetési költségei összességében alacsonyabbak.
Az elektromos és a belső égésű motorral hajtott járművek valószínűleg valamikor a következő évtizedben érik el a matricaár-paritást. Az időzítés egy döntő tényezőtől függ: az akkumulátorok költségeitől. Az EV-k akkumulátorcsomagja a jármű összköltségének mintegy negyedét teszi ki, így ez a legfontosabb tényező az eladási árban.
Az akkumulátorcsomagok ára gyorsan csökken. Egy tipikus EV akkumulátorcsomag 10-100 kilowattóra (kWh) villamos energiát tárol. Például a Mitsubishi i-MIEV akkumulátorkapacitása 16 kWh, hatótávolsága pedig 62 mérföld, a Tesla S modellé pedig 100 kWh, hatótávolsága pedig 400 mérföld. 2010-ben egy EV akkumulátorcsomag ára több mint 1000 dollár volt kWh-ként. Ez 2019-re 150 dollárra csökkent kWh-ként. Az autóipar számára az a kihívás, hogy kitalálja, hogyan lehet tovább csökkenteni a költségeket.
Az energiaügyi minisztérium célja az iparág számára, hogy az akkumulátorcsomagok árát 100 $/kWh alá, végső soron pedig 80 $/kWh körüli szintre csökkentse. Ezeknél az akkumulátoráraknál az elektromos járművek ára valószínűleg alacsonyabb lesz, mint egy hasonló, belső égésű motorral hajtott járműé.
Az árátlépés időpontjának előrejelzéséhez olyan modellekre van szükség, amelyek figyelembe veszik a következő költségváltozókat: tervezés, anyagok, munkaerő, gyártási kapacitás és kereslet. Ezek a modellek azt is megmutatják, hogy a kutatók és a gyártók hová összpontosítják erőfeszítéseiket az akkumulátorok költségeinek csökkentése érdekében. A Carnegie Mellon Egyetemen működő csoportunk olyan akkumulátorköltség-modellt dolgozott ki, amely az EV akkumulátorok gyártásának minden szempontját figyelembe veszi.
Alulról felfelé
Az akkumulátorköltségek elemzésére használt modelleket vagy “felülről lefelé” vagy “alulról felfelé” osztályozzák. A felülről lefelé irányuló modellek elsősorban a kereslet és az idő alapján jelzik előre a költségeket. Az egyik népszerű felülről lefelé irányuló modell, amely képes az akkumulátorok költségének előrejelzésére, a Wright-törvény, amely azt jósolja, hogy a költségek csökkennek, ahogy több darabot gyártanak. A méretgazdaságosság és az iparban idővel megszerzett tapasztalat csökkenti a költségeket.
A Wright-törvény általános. Minden technológiára érvényes, ami lehetővé teszi az akkumulátorok költségcsökkenésének előrejelzését a napelemek költségcsökkenése alapján. A Wright-törvény azonban – más felülről lefelé irányuló modellekhez hasonlóan – nem teszi lehetővé a költségcsökkenés forrásainak elemzését. Ehhez egy alulról felfelé irányuló modellre van szükség.
Az alulról felfelé építkező költségmodell felépítéséhez fontos megérteni, hogy mi kerül egy akkumulátor előállításába. A lítium-ion akkumulátorok egy pozitív elektródból, a katódból, egy negatív elektródból, az anódból és egy elektrolitból, valamint olyan kiegészítő alkatrészekből állnak, mint a csatlakozók és a burkolat.
Minden komponensnek költségei vannak az anyagokkal, a gyártással, az összeszereléssel, a gyári karbantartással kapcsolatos kiadásokkal és a rezsiköltségekkel kapcsolatban. Az EV-k esetében az akkumulátorokat kis elemcsoportokba vagy modulokba kell integrálni, amelyeket aztán csomagokká egyesítenek.
A nyílt forráskódú, alulról felfelé építkező akkumulátor-költségmodellünk ugyanazt a struktúrát követi, mint maga az akkumulátorgyártási folyamat. A modell az akkumulátorgyártási folyamat inputjaiként használja a modell inputjait, beleértve az akkumulátorok tervezési specifikációit, az alapanyag- és munkaerő-árakat, a tőkeberuházási követelményeket, mint például a gyártóüzemek és berendezések, a rezsiköltségeket és a gyártási volument a méretgazdaságosság figyelembevétele érdekében. Ezeket az inputokat felhasználja a gyártási költségek, az anyagköltségek és a rezsiköltségek kiszámításához, és ezeket a költségeket összegezve kapjuk meg a végső költséget.
Költségcsökkentési lehetőségek
Az alulról felfelé építkező költségmodellünk segítségével lebonthatjuk az akkumulátor egyes részeinek hozzájárulását az akkumulátor teljes költségéhez, és ezeket a felismeréseket felhasználhatjuk az akkumulátor-innovációknak az elektromos járművek költségére gyakorolt hatásának elemzéséhez. A teljes akkumulátorköltség legnagyobb részét, mintegy 50%-át az anyagok teszik ki. Az anyagköltség mintegy 43%-át a katód, 36%-át pedig a cella egyéb anyagai teszik ki.
A katódanyagokkal kapcsolatos fejlesztések a legfontosabb innovációk, mivel a katód az akkumulátor költségének legnagyobb összetevője. Ez erős érdeklődést vált ki az alapanyagárak iránt.
Az elektromos járművek leggyakoribb katódanyagai a Tesla járművekben használt nikkel-kobalt-alumínium-oxid, a legtöbb más elektromos járműben használt nikkel-mangán-kobalt-oxid és a legtöbb elektromos buszban használt lítiumvas-foszfát.
A három anyag közül a nikkel-kobalt-alumínium-oxid rendelkezik a legalacsonyabb energiaköltséggel és a legmagasabb tömegegységenkénti energiával, vagyis fajlagos energiával. Az alacsony energiaegységenkénti költséget a magas fajlagos energia eredményezi, mivel kevesebb cellára van szükség egy akkumulátorcsomag felépítéséhez. Ez a többi cellaanyag esetében alacsonyabb költséget eredményez. A katódon belül a kobalt a legdrágább anyag, ezért ezen anyagok kevesebb kobaltot tartalmazó formulái általában olcsóbb akkumulátorokat eredményeznek.
A cellák teljes anyagköltségének nagyjából 36%-át teszik ki az olyan inaktív cellaanyagok, mint a lapkák és a tartályok. Ezek az egyéb cellaanyagok nem adnak energiatartalmat az akkumulátorhoz. Ezért az inaktív anyagok csökkentése az energiatartalom csökkentése nélkül csökkenti az akkumulátorcellák tömegét és méretét. Ez ösztönzi az érdeklődést a cellatervezés javítása iránt olyan innovációkkal, mint például a Tesla által kínált lap nélküli akkumulátorok.
Az akkumulátorcsomagok költsége is jelentősen csökken a gyártók által évente gyártott cellák számának növekedésével. Ahogy egyre több EV akkumulátorgyár lép működésbe, a méretgazdaságosság és az akkumulátorgyártás és -tervezés további javulása további költségcsökkenéshez vezethet.
Tesla megújult EV akkumulátorai
Szeptember 22-én a Tesla egy sor újítást mutatott be a lítium-ion akkumulátorok gyártása terén. Minden egyes változtatás hatással van az akkumulátorcellák végső költségére és teljesítményére. Az akkumulátorok költségmodellje azt mutatja, hogy a Tesla által az akkumulátorcellák méretét és formáját érintő változtatások azt eredményezik, hogy az akkumulátor két elektródája, az anód és a katód az akkumulátor költségének 80%-át teszi ki.
Az egyik változtatás az akkumulátorcellák nagyobb mérete, ami csökkenti a csomagolóanyag mennyiségét és növeli az egyes cellák által tárolható energia mennyiségét. Az új forma 35%-ról 15%-ra csökkenti a segédanyagok hozzájárulását az akkumulátorcellák összköltségéhez. A segédanyagok az anódon, katódon és az energiatároló elektroliton kívül mindent jelentenek.
Ez a költségcsökkentés középpontjába az elektródokat helyezi. A katód önmagában már a cella költségének 55%-át teszi ki. A Tesla számos változtatást ismertetett a katódok előállítási folyamatában, amelyeknek csökkenteniük kell a költségeket, de még nem világos, hogy mennyivel.
A másik változtatás, amelyet a vállalat bemutatott, egy olyan akkumulátor-kialakítás, amely eltávolítja a füleket, vagyis azokat a fémcsíkokat, amelyek az anódot és a katódot a cella külső részéhez kötik. A fülek eltávolítása csökkenti a költségeket és növeli a gyártóüzem óránkénti teljesítményét. Minél több cellát lehet gyártani, annál alacsonyabbak a költségek a méretgazdaságosság és a gyártás javulása miatt.
A vállalat szerint valószínűleg körülbelül három évbe telik, amíg mindezek a változtatások a gyártásba kerülnek, és az új akkumulátorok megjelennek az alacsonyabb árú EV-kben.
Az árparitáshoz vezető út
A belső égésű járművekkel való árparitás ütemtervének előrejelzéséhez az akkumulátorok költségeinek jövőbeli alakulását kell megjósolni. Becsléseink szerint a nyersanyagköltségek csökkenése, a teljesítmény javulása és a gyártás általi tanulás együttesen valószínűleg 2025-re 80 $/kWh alatti csomagköltségű akkumulátorokat eredményez.
Feltételezve, hogy az akkumulátorok az EV költségeinek egynegyedét teszik ki, egy 100 kWh-s akkumulátorcsomag 75 $/kilowattóra áron körülbelül 30 000 $ költséget jelent. Ez olyan EV matricaárakat eredményezhet, amelyek alacsonyabbak, mint a hasonló benzinüzemű autók matricaárai.
Abhinav Misalkar hozzájárult ehhez a cikkhez, amíg a Carnegie Mellon University végzős hallgatója volt.
A cikket szeptember 25-én frissítettük a Tesla új EV akkumulátorának tervezésével kapcsolatos részletekkel.