Veien til elektriske biler med lavere klistremerkepriser enn bensinbiler - batterikostnader forklart

Veien til elektriske biler med lavere klistremerkepriser enn bensinbiler - batterikostnader forklartÅ bytte ut karbonutslippende bensindrevne biler med EV-er krever å skille bort EVs 'prispremie, og det kommer til en ting: batterikostnader. Westend61 via Getty Images

Salg av elektriske biler har vokst eksponentielt de siste årene, ledsaget av synkende priser. Imidlertid forblir adopsjon av EVs begrenset av deres høyere klistremerke pris relativt til sammenlignbare gassbiler, selv om de totale eierkostnadene for EV er lavere.

EV-er og kjøretøyer med forbrenningsmotorer vil sannsynligvis nå prisnivået for klistremerker en gang i løpet av det neste tiåret. Tidspunktet henger sammen med en avgjørende faktor: batterikostnader. En EVs batteripakke står for omtrent en fjerdedel av de totale kjøretøyskostnadene, noe som gjør det til den viktigste faktoren i salgsprisen.

Prisene på batteripakker har falt raskt. En typisk EV-batteripakke lagrer 10-100 kilowattimer (kWh) strøm. For eksempel har Mitsubishi i-MIEV en batterikapasitet på 16 kWh og en rekkevidde på 62 miles, og Tesla-modellen S har en batterikapasitet på 100 kWh og en rekkevidde på 400 miles. I 2010 var prisen på en EV-batteripakke over 1,000 dollar per kWh. Det falt til 150 dollar per kWh i 2019. Utfordringen for bilindustrien er å finne ut hvordan du kan øke kostnadene ytterligere.

De Institutt for energimål for industrien er å redusere prisen på batteripakker til under $ 100 / kWh og til slutt til omtrent $ 80 / kWh. På disse batteriprisepunktene vil klistremerkeprisen på en EV sannsynligvis være lavere enn for et sammenlignbart forbrenningsmotorbil.

Prognoser når denne prisovergangen vil skje, krever modeller som gjør rede for kostnadsvariablene: design, materialer, arbeidskraft, produksjonskapasitet og etterspørsel. Disse modellene viser også hvor forskere og produsenter fokuserer sin innsats for å redusere batterikostnadene. Vår gruppe ved Carnegie Mellon University har utviklet en modell for batterikostnader som står for alle aspekter av EV-batteriproduksjon.

Nedenfra og opp

Modeller som brukes til å analysere batterikostnader klassifiseres enten som "top down" eller "bottom up." Top-down-modeller forutsier kostnader basert primært på etterspørsel og tid. En populær top-down modell som kan beregnet batterikostnad er Wrights lov, som spår at kostnadene går ned etter hvert som flere enheter produseres. Stordriftsfordeler og opplevelsen en næring tilegner seg over tid, reduserer kostnadene.

Wrights lov er generisk. Det fungerer på tvers av alle teknologier, som gjør det mulig å forutsi batterikostnadene synker basert på solcellepanelets kostnadsnedgang. Wrights lovgivning - som andre topp-down-modeller - tillater imidlertid ikke analyse av kildene til kostnadsnedgangene. For det kreves en bottom-up-modell.


Få det siste fra InnerSelf


Batteripakken, den store grå blokken som fyller chassiset i dette diagrammet av en elbil, bidrar mest av alle komponenter til prisen på en EVBatteripakken, den store grå blokken som fyller chassiset i dette diagrammet av en elbil, bidrar mest av alle komponenter til prisen på en EV. Sven Loeffler / iStock via Getty Images

For å bygge en bottom-up kostnadsmodell er det viktig å forstå hva som skal til for å lage et batteri. Litium-ion-batterier består av en positiv elektrode, katoden, en negativ elektrode, anoden og en elektrolytt, så vel som hjelpekomponenter som terminaler og foringsrør.

Hver komponent har en kostnad forbundet med materialer, produksjon, montering, utgifter knyttet til fabrikkvedlikehold og faste kostnader. For EV-er må batterier også integreres i små grupper av celler, eller moduler, som deretter kombineres i pakker.

Vår åpen kildekode, bottom-up batterikostnadsmodell følger samme struktur som selve batteriproduksjonsprosessen. Modellen bruker innganger til batteriproduksjonsprosessen som innganger til modellen, inkludert spesifikasjoner for batteridesign, råvarepriser og arbeidskraftspriser, krav til kapitalinvesteringer som produksjonsanlegg og utstyr, overheadpriser og produksjonsvolum for å ta hensyn til stordriftsfordeler. Den bruker disse innspillene for å beregne produksjonskostnader, materialkostnader og faste kostnader, og disse kostnadene blir summert for å komme frem til den endelige kostnaden.

Kostnadsbesparende muligheter

Ved å bruke vår bottom-up-kostnadsmodell kan vi fordele bidragene til hver del av batteriet til den totale batterikostnaden og bruke denne innsikten til å analysere effekten av batteriinnovasjoner på EV-kostnadene. Materialer utgjør den største delen av den totale batterikostnaden, rundt 50%. Katoden utgjør rundt 43% av materialkostnadene, og andre cellematerialer utgjør rundt 36%.

Forbedringer i katodematerialer er de viktigste nyvinningene, fordi katoden er den største komponenten i batterikostnadene. Dette driver sterkt interesse for råvarepriser.

De vanligste katodematerialene for elektriske kjøretøy er nikkel-kobolt-aluminiumoksyd brukt i Tesla biler, nikkelmangan koboltoksid brukt i de fleste andre elektriske kjøretøyer, og litiumjernfosfat brukt i de fleste elektriske busser.

Nikkelkoboltaluminiumoksyd har lavest kostnad per energiinnhold og høyest energi per enhet-enhet, eller spesifikk energi, av disse tre materialene. En lav kostnad per energienhet er resultatet av en høy spesifikk energi fordi færre celler er nødvendige for å bygge en batteripakke. Dette resulterer i en lavere kostnad for andre cellematerialer. Kobolt er det dyreste materialet i katoden, så formuleringer av disse materialene med mindre kobolt fører vanligvis til billigere batterier.

Inaktive cellematerialer som faner og containere utgjør omtrent 36% av den totale cellematerialekostnaden. Disse andre cellematerialene tilfører ikke energiinnholdet i batteriet. Derfor reduserer inaktive materialer vekten og størrelsen på battericeller uten å redusere energiinnholdet. Dette driver interessen for å forbedre celledesign med innovasjoner som bordløse batterier som de som drilles av Tesla.

Batteripakkekostnadene synker også betydelig med en økning i antall celler produsenter produserer årlig. Som flere EV-batterifabrikker kom på nett, stordriftsfordeler og ytterligere forbedring i batteriproduksjon og design bør føre til ytterligere kostnadsnedgang.

Veien til prisparitet

Å spå en tidslinje for prisparitet med ICE-kjøretøy, krever prognoser om en fremtidig bane for batterikostnader. Vi anslår at reduksjon i råvarekostnader, forbedringer i ytelse og læring ved å produsere sammen sannsynligvis vil føre til batterier med pakningskostnader under $ 80 / kWh innen 2025.

Forutsatt at batteriene representerer en fjerdedel av EV-kostnaden, en 100 kWh batteripakke til $ 75 per kilowattime gir en kostnad på rundt $ 30,000 XNUMX. Dette skulle resultere i EV-klistremerkepriser som er lavere enn klistremerkeprisene for sammenlignbare modeller av bensindrevne biler.

Om forfatterne

Venkat Viswanathan, førsteamanuensis i maskinteknikk, Carnegie Mellon University; Alexander Bills, Ph.D. Kandidat i maskinteknikk, Carnegie Mellon University, og Shashank Sripad, Ph.D. Kandidat i maskinteknikk, Carnegie Mellon University

Abhinav Misalkar bidro til denne artikkelen mens han var hovedfagsstudent ved Carnegie Mellon University.Den Conversation

Denne artikkelen er publisert fra Den Conversation under en Creative Commons-lisens. Les opprinnelige artikkelen.

enafarzh-CNzh-TWnltlfifrdehiiditjakomsnofaptruessvtrvi

følg InnerSelf på

facebook-ikonettwitter-iconrss-ikonet

Få den siste via e-post

{Emailcloak = off}

FRA REDAKTØRENE

InnerSelf Nyhetsbrev: September 6, 2020
by InnerSelf Staff
Vi ser livet gjennom linsene til vår oppfatning. Stephen R. Covey skrev: "Vi ser verden, ikke som den er, men som vi er──eller som vi er betinget av å se den." Så denne uken ser vi på noen ...
InnerSelf Nyhetsbrev: August 30, 2020
by InnerSelf Staff
Veiene vi ferdes i disse dager er like gamle som tiden, men de er nye for oss. Erfaringene vi har er like gamle som tidene, men de er også nye for oss. Det samme gjelder for ...
Når sannheten er så forferdelig at det gjør vondt, ta handling
by Marie T. Russell, InnerSelf.com
Midt i alle gruene som skjer i disse dager, er jeg inspirert av håpstrålene som skinner gjennom. Vanlige mennesker som står opp for det som er riktig (og mot det som er galt). Baseballspillere, ...
Når ryggen din er mot veggen
by Marie T. Russell, InnerSelf
Jeg elsker internett. Nå vet jeg at mange mennesker har mange dårlige ting å si om det, men jeg elsker det. Akkurat som om jeg elsker menneskene i livet mitt - de er ikke perfekte, men jeg elsker dem uansett.
InnerSelf Nyhetsbrev: August 23, 2020
by InnerSelf Staff
Alle kan nok være enige om at vi lever i rare tider ... nye opplevelser, nye holdninger, nye utfordringer. Men vi kan bli oppmuntret til å huske at alt alltid er i flyt, ...