Le vendite di veicoli elettrici sono cresciute esponenzialmente negli ultimi anni, accompagnate da prezzi in calo. Tuttavia, l’adozione dei veicoli elettrici rimane limitata dal loro prezzo di listino più alto rispetto ai veicoli a gas comparabili, anche se il costo complessivo della proprietà per i veicoli elettrici è inferiore.
EV e veicoli con motore a combustione interna probabilmente raggiungeranno la parità di prezzo in qualche momento del prossimo decennio. I tempi dipendono da un fattore cruciale: il costo della batteria. La batteria di un EV rappresenta circa un quarto del costo totale del veicolo, rendendola il fattore più importante nel prezzo di vendita.
I prezzi della batteria sono scesi rapidamente. Un tipico pacco batteria EV immagazzina 10-100 kilowattora (kWh) di elettricità. Per esempio, la Mitsubishi i-MIEV ha una capacità della batteria di 16 kWh e un’autonomia di 62 miglia, e la Tesla model S ha una capacità della batteria di 100 kWh e un’autonomia di 400 miglia. Nel 2010, il prezzo di una batteria EV era di oltre 1.000 dollari per kWh. Questo è sceso a 150 dollari per kWh nel 2019. La sfida per l’industria automobilistica è capire come far scendere ulteriormente il costo.
L’obiettivo del Dipartimento dell’Energia per l’industria è di ridurre il prezzo dei pacchi batteria a meno di $100/kWh e infine a circa $80/kWh. A questi punti di prezzo della batteria, il prezzo di un EV sarà probabilmente inferiore a quello di un veicolo comparabile con motore a combustione.
Prevedere quando questo incrocio di prezzi avverrà richiede modelli che tengano conto delle variabili di costo: design, materiali, lavoro, capacità di produzione e domanda. Questi modelli mostrano anche dove i ricercatori e i produttori stanno concentrando i loro sforzi per ridurre i costi delle batterie. Il nostro gruppo alla Carnegie Mellon University ha sviluppato un modello dei costi delle batterie che tiene conto di tutti gli aspetti della produzione delle batterie EV.
Dal basso verso l’alto
I modelli usati per analizzare i costi delle batterie sono classificati come “top down” o “bottom up”. I modelli top-down prevedono i costi basandosi principalmente sulla domanda e sul tempo. Un popolare modello top-down che può prevedere il costo delle batterie è la legge di Wright, che prevede che i costi scendano man mano che vengono prodotte più unità. Le economie di scala e l’esperienza che un’industria acquisisce nel tempo fanno scendere i costi.
La legge di Wright è generica. Funziona in tutte le tecnologie, il che rende possibile prevedere il calo dei costi delle batterie sulla base del calo dei costi dei pannelli solari. Tuttavia, la legge di Wright – come altri modelli top-down – non permette l’analisi delle fonti del calo dei costi. Per questo, è necessario un modello bottom-up.
Per costruire un modello di costo bottom-up, è importante capire cosa va a fare una batteria. Le batterie agli ioni di litio sono composte da un elettrodo positivo, il catodo, un elettrodo negativo, l’anodo e un elettrolita, oltre a componenti ausiliari come i terminali e l’involucro.
Ogni componente ha un costo associato ai suoi materiali, alla fabbricazione, all’assemblaggio, alle spese relative alla manutenzione della fabbrica e ai costi generali. Per i veicoli elettrici, le batterie devono anche essere integrate in piccoli gruppi di celle, o moduli, che vengono poi combinati in pacchetti.
Il nostro modello di costo della batteria bottom-up, open source, segue la stessa struttura del processo di produzione della batteria stessa. Il modello utilizza gli input per il processo di produzione delle batterie come input al modello, comprese le specifiche di progettazione della batteria, i prezzi delle materie prime e della manodopera, i requisiti di investimento di capitale come gli impianti di produzione e le attrezzature, i tassi generali e il volume di produzione per tenere conto delle economie di scala. Utilizza questi input per calcolare i costi di produzione, i costi dei materiali e le spese generali, e questi costi vengono sommati per arrivare al costo finale.
Opportunità di taglio dei costi
Utilizzando il nostro modello di costo bottom-up, possiamo scomporre i contributi di ogni parte della batteria al costo totale della batteria e utilizzare queste intuizioni per analizzare l’impatto delle innovazioni della batteria sul costo EV. I materiali costituiscono la parte più grande del costo totale della batteria, circa il 50%. Il catodo rappresenta circa il 43% del costo dei materiali, e gli altri materiali delle celle rappresentano circa il 36%.
I miglioramenti nei materiali del catodo sono le innovazioni più importanti, perché il catodo è la componente più grande del costo della batteria. Questo spinge un forte interesse nei prezzi delle materie prime.
I materiali catodici più comuni per i veicoli elettrici sono l’ossido di nichel cobalto alluminio usato nei veicoli Tesla, l’ossido di nichel manganese cobalto usato nella maggior parte degli altri veicoli elettrici e il litio ferro fosfato usato nella maggior parte degli autobus elettrici.
L’ossido di nichel cobalto alluminio ha il più basso costo per contenuto energetico e la più alta energia per unità di massa, o energia specifica, di questi tre materiali. Un basso costo per unità di energia deriva da un’alta energia specifica perché sono necessarie meno celle per costruire un pacco batterie. Questo si traduce in un costo inferiore per gli altri materiali delle celle. Il cobalto è il materiale più costoso all’interno del catodo, quindi le formulazioni di questi materiali con meno cobalto portano tipicamente a batterie più economiche.
I materiali delle celle inattive, come schede e contenitori, rappresentano circa il 36% del costo totale dei materiali delle celle. Questi altri materiali delle celle non aggiungono contenuto energetico alla batteria. Pertanto, la riduzione dei materiali inattivi riduce il peso e le dimensioni delle celle delle batterie senza ridurre il contenuto energetico. Questo spinge l’interesse a migliorare il design delle celle con innovazioni come le batterie senza linguetta come quelle prese in giro da Tesla.
Il costo del pacco batterie diminuisce anche significativamente con un aumento del numero di celle che i produttori producono annualmente. Man mano che più fabbriche di batterie EV diventano operative, le economie di scala e ulteriori miglioramenti nella produzione e nel design delle batterie dovrebbero portare a ulteriori diminuzioni dei costi.
Le batterie EV rinnovate di Tesla
Il 22 settembre, Tesla ha rivelato una serie di innovazioni nella produzione di batterie agli ioni di litio. Ogni cambiamento ha un effetto sul costo finale delle celle della batteria e sulle loro prestazioni. Il nostro modello di costo della batteria mostra che i cambiamenti che Tesla sta apportando alle dimensioni e alla forma della cella della batteria porteranno i due elettrodi della batteria, l’anodo e il catodo, a rappresentare l’80% del costo della batteria.
Un cambiamento è una dimensione maggiore per la cella della batteria, che riduce la quantità di materiale di imballaggio e aumenta la quantità di energia che ogni cella può conservare. La nuova forma riduce il contributo dei materiali ausiliari al costo totale della cella della batteria al 15%, dal 35%. I materiali ausiliari sono tutto tranne l’anodo, il catodo e l’elettrolita che immagazzina energia.
Questo mette l’accento sulla riduzione dei costi sugli elettrodi. Il catodo da solo rappresenta ora il 55% del costo della cella. Tesla ha descritto diversi cambiamenti al processo di produzione dei catodi, che dovrebbero abbassare i costi, ma non è ancora chiaro di quanto.
Un altro cambiamento che l’azienda ha svelato è un design della batteria che rimuove le schede, che sono strisce di metallo che collegano l’anodo e il catodo all’esterno della cella. La rimozione delle linguette abbassa i costi e aumenta il rendimento orario dell’impianto di produzione. Più celle possono essere fatte, più basso è il costo a causa delle economie di scala e dei miglioramenti nella produzione.
Ci vorranno probabilmente circa tre anni per tutti questi cambiamenti per andare in produzione e le nuove batterie per apparire in EV a basso prezzo, secondo l’azienda.
Road to price-parity
Prevedere una linea temporale per la parità di prezzo con veicoli ICE richiede la previsione di una traiettoria futura dei costi della batteria. Stimiamo che la riduzione dei costi delle materie prime, i miglioramenti nelle prestazioni e l’apprendimento attraverso la produzione insieme porteranno probabilmente a batterie con costi del pacco inferiori a $80/kWh entro il 2025.
Assumendo che le batterie rappresentino un quarto del costo dei veicoli elettrici, un pacco batterie da 100 kWh a 75 dollari per chilowattora produce un costo di circa 30.000 dollari. Questo dovrebbe risultare in prezzi di listino EV che sono inferiori ai prezzi di listino per modelli comparabili di auto a gas.
Abhinav Misalkar ha contribuito a questo articolo mentre era uno studente laureato alla Carnegie Mellon University.
Questo articolo è stato aggiornato il 25 settembre con dettagli sul nuovo design della batteria EV di Tesla.