Die vervanging van koolstofvrye gasaangedrewe motors met EV's moet die pryspremie van EV's wegneem, en dit kom tot een ding: batterykoste. Westend61 via Getty Images

Verkoop van elektriese voertuie het die afgelope paar jaar eksponensieel gegroei, gepaardgaande met dalende pryse. Die aanvaarding van EV's bly egter beperk deur hulle hoër plakkerprys relatief tot vergelykbare gasvoertuie, al is dit die totale koste van eienaarskap vir EV's is laer.

EV's en voertuie met binnebrandenjins sal waarskynlik een of ander tyd in die volgende dekade plakkerspryse bereik. Die tydsberekening hang van 'n belangrike faktor af: batterykoste. 'N EV-batterypak is ongeveer 'n kwart van die totale voertuigkoste, wat dit die belangrikste faktor in die verkoopprys maak.

Die prys van batterye het vinnig gedaal. 'N Tipiese EV-batterypak bevat 10-100 kilowatt-uur (kWh) elektrisiteit. Die Mitsubishi i-MIEV het byvoorbeeld 'n batterykapasiteit van 16 kWh en 'n reikafstand van 62 myl, en die Tesla-model S het 'n batterykapasiteit van 100 kWh en 'n reikafstand van 400 myl. In 2010 was die prys van 'n EV-batterypak meer as $ 1,000 per kWh. Dit het geval $ 150 per kWh in 2019. Die uitdaging vir die motorbedryf is om uit te vind hoe om die koste verder te verlaag.

Die Departement van Energiedoelwit vir die bedryf is om die prys van batterypakkies tot minder as $ 100 / kWh te verlaag en uiteindelik tot ongeveer $ 80 / kWh. By hierdie batterypryspunte is die plakkerprys van 'n EV waarskynlik laer as dié van 'n vergelykbare voertuig vir verbrandingsmotors.

Voorspellings wanneer daardie prysoorskakeling sal plaasvind, is modelle wat verantwoordelik is vir die kosteveranderlikes: ontwerp, materiale, arbeid, vervaardigingskapasiteit en vraag. Hierdie modelle wys ook waar navorsers en vervaardigers hul pogings fokus om batterykoste te verlaag. Ons groep aan die Carnegie Mellon Universiteit het 'n model vir batterykoste ontwikkel wat verantwoordelik is vir alle aspekte van die vervaardiging van EV-batterye.

Van onder af

Modelle wat gebruik word om batterykoste te ontleed, word óf "van onder na onder" óf "van onder na bo geklassifiseer." Top-down-modelle voorspel koste gebaseer hoofsaaklik op vraag en tyd. Een gewilde top-down model wat kan voorspelde batterykoste is die wet van Wright, wat voorspel dat koste daal namate meer eenhede geproduseer word. Skaalvoordele en die ervaring wat 'n bedryf mettertyd opdoen, verminder koste.

Wright se wet is generies. Dit werk oor alle tegnologieë, wat dit moontlik maak om te voorspel daling in batterykoste gebaseer op daling in sonkragpaneel. Die wet van Wright, soos ander top-down-modelle, laat egter nie voorsiening vir die ontleding van die bronne van die kosteverlagings nie. Daarvoor is 'n bottom-up-model nodig.

Die batterypak, die groot grys blok wat die onderstel in hierdie diagram van 'n elektriese motor vul, dra die meeste van enige onderdeel by tot die prys van 'n EV. Sven Loeffler / iStock via Getty Images

Om 'n bottom-up-koste-model op te stel, is dit belangrik om te verstaan ​​wat 'n battery is. Litium-ioon-batterye bestaan ​​uit 'n positiewe elektrode, die katode, 'n negatiewe elektrode, die anode en 'n elektroliet, sowel as hulpkomponente soos klemme en omhulsel.

Elke komponent het 'n koste verbonde aan die materiaal, vervaardiging, montering, uitgawes verbonde aan fabrieksinstandhouding en oorhoofse koste. Vir EV's moet batterye ook in klein groepe selle of modules geïntegreer word, wat dan in pakkies gekombineer word.

ons open source, van onder-na-bo batterykoste-model volg dieselfde struktuur as die batteryvervaardigingsproses self. Die model gebruik insette tot die vervaardigingsproses van die batterye as insette vir die model, insluitend die spesifikasies vir die ontwerp van batterye, kommoditeits- en arbeidspryse, kapitaalbeleggingsvereistes soos vervaardigingsaanlegte en toerusting, bokoste en vervaardigingsvolume om die skaalvoordele te bereken. Dit gebruik hierdie insette om vervaardigingskoste, materiaalkoste en bokoste te bereken, en die koste word opgesom om by die finale koste uit te kom.

Kostebesparende geleenthede

Met behulp van ons bottom-up-koste-model, kan ons die bydraes van elke onderdeel van die battery tot die totale batterykoste verdeel en die insigte gebruik om die impak van batteryinnovasies op EV-koste te ontleed. Materiaal vorm die grootste gedeelte van die totale batterykoste, ongeveer 50%. Die katode maak ongeveer 43% van die koste van materiale uit, en ander selmateriaal is ongeveer 36%.

Verbeterings in katodemateriaal is die belangrikste innovasies, omdat die katode die grootste komponent van batterykoste is. Dit dryf sterk belangstelling in kommoditeitspryse.

Die mees algemene katodemateriaal vir elektriese voertuie is nikkel-kobalt-aluminiumoksied word in Tesla-voertuie gebruik, nikkel mangaan kobaltoksied gebruik in die meeste ander elektriese voertuie, en litiumysterfosfaat word in die meeste elektriese busse gebruik.

Nikkel-kobalt-aluminiumoksied het die laagste koste-per-energie-inhoud en die hoogste energie-per-eenheidsmassa, of spesifieke energie, van hierdie drie materiale. 'N Lae koste per eenheid energie spruit uit 'n hoë spesifieke energie, omdat minder selle nodig is om 'n batterypak te bou. Dit lei tot 'n laer koste vir ander selmateriaal. Kobalt is die duurste materiaal binne die katode, dus die formulering van hierdie materiale met minder kobalt lei gewoonlik tot goedkoper batterye.

Onaktiewe selmateriale soos tabs en houers maak ongeveer 36% van die totale selmateriaal uit. Hierdie ander selmateriaal voeg nie die energie-inhoud by die battery nie. Daarom verminder die vermindering van onaktiewe materiale die gewig en grootte van die batteryselle sonder om die energie-inhoud te verminder. Dit veroorsaak 'n belangstelling in die verbetering van selontwerp deur innovasies soos batterye sonder tafel soos dié wat Tesla speen.

Die koste van die batterypak neem ook aansienlik af met 'n toename in die aantal selle wat vervaardigers jaarliks ​​vervaardig. Soos meer EV-fabrieke kom aanlyn, moet skaalvoordele en verdere verbetering in die vervaardiging en ontwerp van batterye lei tot verdere kostedaling.

Pad na pryspariteit

Die voorspelling van 'n tydlyn vir pryspariteit met ICE-voertuie vereis 'n toekomstige trajek van batterykoste. Ons skat dat vermindering in grondstofkoste, verbetering in prestasie en leer deur saam te vervaardig, waarskynlik teen 80 tot batterye met verpakkingskoste onder $ 2025 / kWh sal lei.

Aanvaar dat batterye verteenwoordig 'n kwart van die EV-koste, lewer 'n battery van 100 kWh teen $ 75 per kilowattuur 'n koste van ongeveer $ 30,000. Dit sou daartoe lei dat EV-plakkerpryse laer is as die plakkerpryse vir vergelykbare modelle van motors met gas aangedryf.

Oor die skrywers

Venkat Viswanathan, medeprofessor in meganiese ingenieurswese, Carnegie Mellon Universiteit; Alexander Bills, Ph.D. Kandidaat in Meganiese Ingenieurswese, Carnegie Mellon Universiteit, en Shashank Sripad, Ph.D. Kandidaat in Meganiese Ingenieurswese, Carnegie Mellon Universiteit

Abhinav Misalkar het tot hierdie artikel bygedra terwyl hy 'n student aan die Carnegie Mellon-universiteit was.

Hierdie artikel is gepubliseer vanaf Die gesprek onder 'n Creative Commons lisensie. Lees die oorspronklike artikel.