Vânzările de vehicule electrice au crescut exponențial în ultimii ani, însoțite de scăderea prețurilor. Cu toate acestea, adoptarea vehiculelor electrice rămâne limitată de prețul de vânzare mai ridicat al acestora în raport cu vehiculele pe benzină comparabile, chiar dacă costul total de proprietate pentru vehiculele electrice este mai mic.
Vehiculele electrice și vehiculele cu motor cu combustie internă vor ajunge probabil la paritate de preț de vânzare cândva în următorul deceniu. Momentul depinde de un factor crucial: costul bateriei. Pachetul de baterii al unui VE reprezintă aproximativ un sfert din costul total al vehiculului, ceea ce îl transformă în cel mai important factor al prețului de vânzare.
Prețul pachetelor de baterii a scăzut rapid. Un pachet de baterii tipic pentru VE stochează 10-100 de kilowați oră (kWh) de energie electrică. De exemplu, Mitsubishi i-MIEV are o capacitate a bateriei de 16 kWh și o autonomie de 62 de mile, iar Tesla model S are o capacitate a bateriei de 100 kWh și o autonomie de 400 de mile. În 2010, prețul unui pachet de baterii pentru vehicule electrice era de peste 1.000 de dolari pe kWh. Acesta a scăzut la 150 de dolari pe kWh în 2019. Provocarea pentru industria auto este să-și dea seama cum să reducă și mai mult costul.
Obiectivul Departamentului Energiei pentru industrie este de a reduce prețul pachetelor de baterii la mai puțin de 100 $/kWh și, în cele din urmă, la aproximativ 80 $/kWh. La aceste niveluri de preț al bateriilor, prețul de vânzare al unui vehicul electric va fi probabil mai mic decât cel al unui vehicul comparabil cu motor cu combustie.
Prevederea momentului în care va avea loc această trecere de la un preț la altul necesită modele care să țină cont de variabilele de cost: design, materiale, forță de muncă, capacitate de producție și cerere. Aceste modele arată, de asemenea, unde își concentrează eforturile cercetătorii și producătorii pentru a reduce costurile bateriilor. Grupul nostru de la Universitatea Carnegie Mellon a dezvoltat un model al costurilor bateriilor care ia în considerare toate aspectele legate de fabricarea bateriilor pentru vehicule electrice.
De jos în sus
Modelurile utilizate pentru analiza costurilor bateriilor sunt clasificate fie ca fiind „de sus în jos”, fie „de jos în sus”. Modelele de sus în jos prezic costurile bazându-se în principal pe cerere și timp. Un model descendent popular care poate prognoza costul bateriilor este legea lui Wright, care prezice că costurile scad pe măsură ce sunt produse mai multe unități. Economiile de scară și experiența pe care o dobândește o industrie în timp determină scăderea costurilor.
Legea lui Wright este generică. Funcționează pentru toate tehnologiile, ceea ce face posibilă prezicerea scăderii costurilor bateriilor pe baza scăderii costurilor panourilor solare. Cu toate acestea, legea lui Wright – ca și alte modele de sus în jos – nu permite analiza surselor scăderii costurilor. Pentru aceasta, este necesar un model ascendent.
Pentru a construi un model de cost de jos în sus, este important să înțelegem ce intră în fabricarea unei baterii. Bateriile litiu-ion sunt alcătuite dintr-un electrod pozitiv, catodul, un electrod negativ, anodul și un electrolit, precum și din componente auxiliare, cum ar fi bornele și carcasa.
Care componentă are un cost asociat cu materialele sale, cu fabricarea, cu asamblarea, cu cheltuielile legate de întreținerea fabricii și cu costurile generale. Pentru vehiculele electrice, bateriile trebuie, de asemenea, să fie integrate în grupuri mici de celule, sau module, care sunt apoi combinate în pachete.
Modelul nostru de cost al bateriilor cu sursă deschisă, de jos în sus, urmează aceeași structură ca și procesul de fabricare a bateriilor în sine. Modelul utilizează intrările procesului de fabricare a bateriilor ca intrări în model, inclusiv specificațiile de proiectare a bateriilor, prețurile materiilor prime și ale forței de muncă, cerințele de investiții de capital, cum ar fi instalațiile și echipamentele de fabricație, ratele de cheltuieli generale și volumul de fabricație pentru a ține cont de economiile de scară. Acesta utilizează aceste intrări pentru a calcula costurile de fabricație, costurile materialelor și costurile generale, iar aceste costuri sunt însumate pentru a obține costul final.
Oportunități de reducere a costurilor
Utilizând modelul nostru de cost ascendent, putem defalca contribuțiile fiecărei părți a bateriei la costul total al bateriei și putem utiliza aceste informații pentru a analiza impactul inovațiilor în materie de baterii asupra costului EV. Materialele reprezintă cea mai mare parte din costul total al bateriei, aproximativ 50%. Catodul reprezintă aproximativ 43% din costul materialelor, iar celelalte materiale ale celulei reprezintă aproximativ 36%.
Îmbunătățirile în ceea ce privește materialele catodice sunt cele mai importante inovații, deoarece catodul este cea mai mare componentă a costului bateriei. Acest lucru determină un interes puternic pentru prețurile materiilor prime.
Cele mai comune materiale catodice pentru vehiculele electrice sunt oxidul de nichel cobalt aluminiu utilizat la vehiculele Tesla, oxidul de nichel mangan cobalt utilizat la majoritatea celorlalte vehicule electrice și fosfatul de litiu și fier utilizat la majoritatea autobuzelor electrice.
Oxidul de nichel-cobalt-aluminiu are cel mai mic cost pe conținut energetic și cea mai mare energie pe unitate de masă, sau energie specifică, dintre aceste trei materiale. Un cost scăzut pe unitate de energie rezultă dintr-o energie specifică ridicată, deoarece sunt necesare mai puține celule pentru a construi un pachet de baterii. Acest lucru duce la un cost mai mic pentru alte materiale pentru celule. Cobaltul este cel mai scump material din catod, astfel încât formulările acestor materiale cu mai puțin cobalt conduc de obicei la baterii mai ieftine.
Materialele inactive ale celulelor, cum ar fi plăcuțele și recipientele, reprezintă aproximativ 36% din costul total al materialelor pentru celule. Aceste alte materiale pentru celule nu adaugă conținut energetic la baterie. Prin urmare, reducerea materialelor inactive reduce greutatea și dimensiunea celulelor bateriei fără a reduce conținutul energetic. Acest lucru stimulează interesul pentru îmbunătățirea designului celulelor cu inovații precum bateriile fără file, cum ar fi cele prezentate de Tesla.
Costul pachetului de baterii scade, de asemenea, în mod semnificativ odată cu creșterea numărului de celule pe care producătorii le produc anual. Pe măsură ce mai multe fabrici de baterii pentru vehicule electrice intră în funcțiune, economiile de scară și îmbunătățirea în continuare a fabricării și proiectării bateriilor ar trebui să ducă la noi scăderi ale costurilor.
Baterii EV modernizate de Tesla
La 22 septembrie, Tesla a dezvăluit o serie de inovații în fabricarea bateriilor litiu-ion. Fiecare schimbare are un efect asupra costului final al celulelor bateriei și asupra performanței acestora. Modelul nostru de cost al bateriei arată că modificările pe care Tesla le face la dimensiunea și forma celulei bateriei vor face ca cei doi electrozi ai bateriei, anodul și catodul, să reprezinte 80% din costul bateriei.
O modificare este o dimensiune mai mare pentru celula bateriei, care reduce cantitatea de material de ambalare și crește cantitatea de energie pe care fiecare celulă o poate stoca. Noua formă reduce contribuția materialelor auxiliare la costul total al celulei bateriei la 15%, de la 35%. Materialele auxiliare sunt tot ceea ce este în afara anodului, catodului și a electrolitului care stochează energie.
Aceasta pune accentul reducerii costurilor pe electrozi. Numai catodul reprezintă acum 55% din costul celulei. Tesla a descris mai multe modificări ale procesului de producere a catozilor, care ar trebui să scadă costurile, dar încă nu este clar cu cât de mult.
O altă modificare prezentată de companie este un design al bateriei care elimină tab-urile, care sunt benzi de metal care leagă anodul și catodul de exteriorul celulei. Eliminarea filelor reduce costurile și crește randamentul orar al fabricii de producție. Cu cât se pot fabrica mai multe celule, cu atât costurile sunt mai mici datorită economiilor de scară și îmbunătățirilor în fabricație.
Probabil va dura aproximativ trei ani pentru ca toate aceste modificări să intre în producție și pentru ca noile baterii să apară în vehiculele electrice cu preț mai mic, potrivit companiei.
Calea spre paritatea prețurilor
Predicerea unui termen pentru paritatea prețurilor cu vehiculele cu motor cu ardere internă necesită o prognoză a traiectoriei viitoare a costurilor bateriilor. Estimăm că reducerea costurilor materiilor prime, îmbunătățirea performanțelor și învățarea prin fabricare, împreună, vor conduce probabil la baterii cu costuri ale pachetului sub 80 USD/kWh până în 2025.
Să presupunem că bateriile reprezintă un sfert din costul vehiculelor electrice, un pachet de baterii de 100 kWh la 75 de dolari pe kilowatt/oră produce un cost de aproximativ 30.000 de dolari. Acest lucru ar trebui să ducă la prețuri de vânzare pentru EV mai mici decât prețurile de vânzare pentru modele comparabile de mașini pe benzină.
Abhinav Misalkar a contribuit la acest articol în timp ce era student absolvent la Universitatea Carnegie Mellon.
Acest articol a fost actualizat la 25 septembrie cu detalii despre noul design al bateriilor EV de la Tesla.