Vendas de veículos eléctricos têm crescido exponencialmente nos últimos anos, acompanhados de preços em queda. No entanto, a adoção de VE continua limitada pelo preço mais alto do adesivo em relação aos veículos a gás comparáveis, embora o custo total de propriedade dos VE seja menor.
EVs e veículos com motor de combustão interna provavelmente atingirão a paridade do preço do adesivo em algum momento da próxima década. O timing depende de um factor crucial: o custo da bateria. A bateria de um VE é responsável por cerca de um quarto do custo total do veículo, tornando-o o factor mais importante no preço de venda.
Os preços da bateria têm vindo a cair rapidamente. Uma bateria EV típica armazena 10-100 kilowatts/hora (kWh) de electricidade. Por exemplo, o Mitsubishi i-MIEV tem uma capacidade de bateria de 16 kWh e um alcance de 62 milhas, e o modelo Tesla S tem uma capacidade de bateria de 100 kWh e um alcance de 400 milhas. Em 2010, o preço de um pacote de baterias EV era superior a $1.000 por kWh. Isso caiu para 150 dólares por kWh em 2019. O desafio para a indústria automotiva é descobrir como reduzir ainda mais o custo.
O objetivo do Departamento de Energia para a indústria é reduzir o preço das baterias para menos de $100/kWh e, finalmente, para cerca de $80/kWh. A esses pontos de preço de bateria, o preço do adesivo de um EV é provavelmente menor do que o de um veículo com motor de combustão comparável.
Previsão de quando esse cruzamento de preços ocorrerá requer modelos que respondam pelas variáveis de custo: projeto, materiais, mão-de-obra, capacidade de fabricação e demanda. Esses modelos também mostram onde pesquisadores e fabricantes estão concentrando seus esforços para reduzir os custos da bateria. Nosso grupo na Carnegie Mellon University desenvolveu um modelo de custos de bateria que é responsável por todos os aspectos da fabricação de baterias EV.
De baixo para cima
Os modelos usados para analisar os custos de bateria são classificados como “de cima para baixo” ou “de baixo para cima”. Os modelos top-down prevêem o custo com base principalmente na demanda e no tempo. Um modelo popular de cima para baixo que pode prever o custo da bateria é a lei de Wright, que prevê que os custos diminuam à medida que mais unidades são produzidas. As economias de escala e a experiência que uma indústria adquire ao longo do tempo fazem baixar os custos.
A lei de Wright é genérica. Ela funciona em todas as tecnologias, o que torna possível prever quedas de custos de baterias com base em quedas de custos de painéis solares. No entanto, a lei de Wright – como outros modelos top-down – não permite a análise das fontes dos declínios de custos. Para isso, é necessário um modelo de baixo para cima.
Para construir um modelo de baixo custo, é importante entender o que entra na fabricação de uma bateria. As baterias de íons de lítio consistem em um eletrodo positivo, o cátodo, um eletrodo negativo, o ânodo e um eletrólito, assim como componentes auxiliares como terminais e invólucros.
Cada componente tem um custo associado aos seus materiais, fabrico, montagem, despesas relacionadas com a manutenção da fábrica, e custos gerais. Para EVs, as baterias também precisam ser integradas em pequenos grupos de células, ou módulos, que são então combinados em pacotes.
O nosso modelo de custo de baterias de fonte aberta, de baixo para cima segue a mesma estrutura que o próprio processo de fabrico das baterias. O modelo utiliza entradas para o processo de fabricação da bateria como entradas para o modelo, incluindo especificações de projeto da bateria, preços de commodities e mão-de-obra, requisitos de investimento de capital como plantas e equipamentos de fabricação, taxas de overhead e volume de fabricação para contabilizar as economias de escala. Ele usa esses insumos para calcular os custos de fabricação, custos de material e custos indiretos, e esses custos são somados para chegar ao custo final.
Oportunidades de corte de custos
Usando nosso modelo de custo bottom-up, podemos decompor as contribuições de cada parte da bateria para o custo total da bateria e usar essas percepções para analisar o impacto das inovações da bateria no custo EV. Os materiais constituem a maior parte do custo total da bateria, cerca de 50%. O cátodo é responsável por cerca de 43% do custo dos materiais, e outros materiais celulares são responsáveis por cerca de 36%.
Os melhoramentos nos materiais catódicos são as inovações mais importantes, porque o cátodo é o maior componente do custo da bateria. Isto provoca grande interesse nos preços das mercadorias.
Os materiais catódicos mais comuns para veículos elétricos são o óxido de alumínio níquel cobalto usado em veículos Tesla, o óxido de manganês níquel cobalto usado na maioria dos outros veículos elétricos, e o fosfato de lítio ferro usado na maioria dos ônibus elétricos.
O óxido de alumínio de cobalto de níquel tem o menor custo por conteúdo energético e a maior energia por unidade de massa, ou energia específica, desses três materiais. Um baixo custo por unidade de energia resulta de uma alta energia específica porque são necessárias menos células para construir um conjunto de baterias. Isto resulta em um custo mais baixo para outros materiais celulares. O cobalto é o material mais caro dentro do cátodo, portanto, formulações destes materiais com menos cobalto normalmente levam a baterias mais baratas.
Materiais de células inativas, como abas e recipientes, representam cerca de 36% do custo total dos materiais de células. Estes outros materiais de células não adicionam conteúdo energético à bateria. Portanto, a redução de materiais inativos reduz o peso e o tamanho das células da bateria sem reduzir o conteúdo de energia. Isto leva ao interesse em melhorar o design das células com inovações como as baterias sem abas como as que estão a ser gozadas pela Tesla.
O custo da bateria também diminui significativamente com o aumento do número de células produzidas anualmente pelos fabricantes. À medida que mais fábricas de baterias EV entram em funcionamento, as economias de escala e a melhoria no fabrico e design das baterias deverão levar a uma maior redução de custos.
As baterias EV renovadas da Tesla
Em 22 de Setembro, Tesla revelou uma série de inovações no fabrico de baterias de iões de lítio. Cada mudança tem um efeito sobre o eventual custo das células da bateria e seu desempenho. Nosso modelo de custo de bateria mostra que as mudanças que Tesla está fazendo no tamanho e forma da célula da bateria resultarão nos dois eletrodos da bateria, o ânodo e o cátodo, representando 80% do custo da bateria.
Uma mudança é um tamanho maior para a célula da bateria, o que reduz a quantidade de material de embalagem e aumenta a quantidade de energia que cada célula pode armazenar. A nova forma reduz a contribuição de materiais auxiliares para o custo total da célula da bateria para 15%, de 35% para 35%. Os materiais auxiliares são tudo menos o ânodo, o cátodo e o electrólito armazenador de energia.
Isto coloca o foco da redução de custos nos eléctrodos. Só o cátodo é agora responsável por 55% do custo da célula. Tesla descreveu várias mudanças no processo de produção de catodos, o que deve baixar os custos, mas ainda não está claro quanto.
Outra mudança que a empresa revelou é um design de bateria que remove as abas, que são tiras de metal que ligam o anodo e o cátodo ao exterior da célula. A remoção das abas diminui o custo e aumenta a produção horária da fábrica. Quanto mais células puderem ser feitas, menor será o custo devido a economias de escala e melhorias na fabricação.
Provavelmente levará cerca de três anos para que todas essas mudanças entrem em produção e as novas baterias apareçam em EVs de menor preço, de acordo com a empresa.
Road para paridade de preços
Prever uma linha de tempo para paridade de preços com veículos ICE requer previsão de uma trajetória futura de custos de bateria. Estimamos que a redução dos custos da matéria-prima, melhorias no desempenho e aprendizagem através da fabricação em conjunto, provavelmente levará a baterias com custos de embalagem abaixo de $80/kWh até 2025.
A partir do princípio que as baterias representam um quarto do custo EV, uma bateria de 100 kWh a $75 por kilowatt hora rende um custo de cerca de $30.000. Isto deve resultar em preços de baterias EV que são mais baixos que os preços de modelos comparáveis de carros a gasolina.
Abhinav Misalkar contribuiu para este artigo enquanto ele era um estudante de pós-graduação na Carnegie Mellon University.
Este artigo foi atualizado em 25 de setembro com detalhes sobre o novo design da bateria EV da Tesla.