Försäljningen av elbilar har ökat exponentiellt under de senaste åren, samtidigt som priserna har sjunkit. Användningen av elbilar begränsas dock fortfarande av deras högre pris i förhållande till jämförbara gasbilar, även om den totala ägandekostnaden för elbilar är lägre.
EV:er och fordon med förbränningsmotor kommer troligen att nå samma pris någon gång under nästa årtionde. Tidpunkten beror på en avgörande faktor: batterikostnaden. En EV:s batteripaket står för ungefär en fjärdedel av den totala fordonskostnaden, vilket gör det till den viktigaste faktorn för försäljningspriset.
Batteripaketpriserna har sjunkit snabbt. Ett typiskt batteripaket för elfordon lagrar 10-100 kilowattimmar (kWh) el. Mitsubishi i-MIEV har till exempel en batterikapacitet på 16 kWh och en räckvidd på 62 mil och Tesla model S har en batterikapacitet på 100 kWh och en räckvidd på 400 mil. År 2010 var priset på ett batteripaket för elfordon över 1 000 dollar per kWh. Det sjönk till 150 dollar per kWh år 2019. Utmaningen för bilindustrin är att ta reda på hur man ska få ner kostnaden ytterligare.
Energidepartementets mål för industrin är att sänka priset på batteripaket till mindre än 100 dollar/kWh och i slutändan till cirka 80 dollar/kWh. Vid dessa batteripriser kommer priset för en elbil sannolikt att vara lägre än för ett jämförbart fordon med förbränningsmotor.
För att förutse när denna prisövergång kommer att inträffa krävs modeller som tar hänsyn till kostnadsvariablerna: utformning, material, arbetskraft, tillverkningskapacitet och efterfrågan. Dessa modeller visar också var forskare och tillverkare fokuserar sina ansträngningar för att sänka batterikostnaderna. Vår grupp vid Carnegie Mellon University har utvecklat en modell för batterikostnader som tar hänsyn till alla aspekter av tillverkningen av batterier för elfordon.
Från botten upp
Modeller som används för att analysera batterikostnader klassificeras antingen som ”uppifrån och ner” eller ”nerifrån och upp”. Modeller uppifrån och ner förutsäger kostnaden främst utifrån efterfrågan och tid. En populär top-down-modell som kan förutsäga batterikostnaden är Wrights lag, som förutsäger att kostnaderna sjunker när fler enheter produceras. Stordriftsfördelar och den erfarenhet som en industri förvärvar med tiden driver ner kostnaderna.
Wrights lag är generisk. Den fungerar inom alla tekniker, vilket gör det möjligt att förutsäga kostnadsminskningar för batterier baserat på kostnadsminskningar för solpaneler. Wrights lag – liksom andra toppstyrda modeller – gör det dock inte möjligt att analysera källorna till kostnadsminskningarna. För detta krävs en bottom-up-modell.
För att bygga en kostnadsmodell nedifrån och upp är det viktigt att förstå vad som ingår i tillverkningen av ett batteri. Litiumjonbatterier består av en positiv elektrod, katoden, en negativ elektrod, anoden och en elektrolyt samt hjälpkomponenter som terminaler och hölje.
Varje komponent har en kostnad förknippad med material, tillverkning, montering, kostnader för fabriksunderhåll och omkostnader. För elfordon måste batterierna också integreras i små grupper av celler, eller moduler, som sedan kombineras till paket.
Vår öppen källkod, bottom-up batterikostnadsmodell följer samma struktur som själva batteritillverkningsprocessen. I modellen används indata till batteritillverkningsprocessen som indata till modellen, inklusive specifikationer för batteridesign, råvaru- och arbetskraftspriser, krav på kapitalinvesteringar som tillverkningsanläggningar och utrustning, omkostnader och tillverkningsvolym för att ta hänsyn till stordriftsfördelar. Den använder dessa indata för att beräkna tillverkningskostnader, materialkostnader och omkostnader, och dessa kostnader summeras för att komma fram till slutkostnaden.
Möjligheter till kostnadsminskningar
Med hjälp av vår nedifrån-och-upp-kostnadsmodell kan vi dela upp bidragen från varje del av batteriet till den totala batterikostnaden och använda dessa insikter för att analysera batteriinnovationernas inverkan på kostnaden för fordonselektroniska fordon. Materialen utgör den största delen av den totala batterikostnaden, cirka 50 %. Katoden står för cirka 43 % av materialkostnaden och andra cellmaterial står för cirka 36 %.
Förbättringar av katodmaterialen är de viktigaste innovationerna, eftersom katoden är den största komponenten av batterikostnaden. Detta driver ett starkt intresse för råvarupriserna.
De vanligaste katodmaterialen för elfordon är nickel-kobolt-aluminiumoxid som används i Tesla-fordon, nickel-mangan-kobolt-oxid som används i de flesta andra elfordon och litium-järnfosfat som används i de flesta elbussar.
Nickelkoboltaluminiumoxid har den lägsta kostnaden per energiinnehåll och den högsta energin per masseenhet, eller specifik energi, av dessa tre material. En låg kostnad per energienhet är ett resultat av en hög specifik energi eftersom färre celler behövs för att bygga ett batteripaket. Detta leder till en lägre kostnad för andra cellmaterial. Kobolt är det dyraste materialet i katoden, så formuleringar av dessa material med mindre kobolt leder vanligtvis till billigare batterier.
Inaktiva cellmaterial som flikar och behållare står för ungefär 36 % av den totala kostnaden för cellmaterial. Dessa andra cellmaterial tillför inte energiinnehåll till batteriet. Att minska inaktiva material minskar därför battericellernas vikt och storlek utan att minska energiinnehållet. Detta driver intresset för att förbättra cellkonstruktionen med innovationer som batterier utan flikar, till exempel de som Tesla har börjat presentera.
Kostnaden för batteripaketet sjunker också avsevärt med en ökning av antalet celler som tillverkarna producerar årligen. I takt med att fler batterifabriker för elektroniska fordon tas i drift bör stordriftsfördelar och ytterligare förbättringar av batteritillverkning och -design leda till ytterligare kostnadsminskningar.
Teslas förnyade EV-batterier
Den 22 september avslöjade Tesla en rad innovationer i tillverkningen av litiumjonbatterier. Varje förändring har en effekt på den slutliga kostnaden för battericellerna och deras prestanda. Vår batterikostnadsmodell visar att de förändringar som Tesla gör av battericellens storlek och form kommer att resultera i att batteriets två elektroder, anoden och katoden, står för 80 % av batteriets kostnad.
En förändring är en större storlek på battericellen, vilket minskar mängden förpackningsmaterial och ökar mängden energi som varje cell kan lagra. Den nya formen minskar bidragen från hjälpmaterial till battericellens totala kostnad till 15 %, från 35 %. Med hjälpmaterial avses allt utom anoden, katoden och den energilagrande elektrolyten.
Detta innebär att fokus för att minska kostnaderna läggs på elektroderna. Enbart katoden står nu för 55 % av cellens kostnad. Tesla beskrev flera förändringar i processen för att producera katoder, vilket bör sänka kostnaderna, men det är ännu inte klart med hur mycket.
En annan förändring som företaget presenterade är en batteridesign som tar bort flikar, vilket är remsor av metall som förbinder anoden och katoden med cellens utsida. Att ta bort flikarna sänker kostnaderna och ökar tillverkningsanläggningens genomströmning per timme. Ju fler celler som kan tillverkas, desto lägre blir kostnaden på grund av stordriftsfördelar och förbättringar i tillverkningen.
Det kommer troligen att ta ungefär tre år innan alla dessa förändringar går i produktion och de nya batterierna dyker upp i billigare elbilar, enligt företaget.
Vägen till prisjämlikhet
För att kunna förutsäga en tidslinje för prisjämlikhet med ICE-fordon måste man förutspå en framtida bana för batterikostnaderna. Vi uppskattar att minskade råvarukostnader, förbättrad prestanda och inlärning genom tillverkning tillsammans sannolikt kommer att leda till batterier med paketkostnader på under 80 dollar/kWh år 2025.
Antagen att batterierna står för en fjärdedel av kostnaden för fordonen, ger ett batteripaket på 100 kWh till 75 dollar per kilowattimme en kostnad på cirka 30 000 dollar. Detta bör resultera i priser på fordonsbilar som är lägre än priserna på jämförbara modeller av gasdrivna bilar.
Abhinav Misalkar bidrog till den här artikeln medan han var doktorand vid Carnegie Mellon University.
Den här artikeln har uppdaterats den 25 september med uppgifter om Teslas nya batteridesign för fordonsbilar.