Um gasbetriebene Autos mit COXNUMX-Emissionen durch Elektrofahrzeuge zu ersetzen, muss die Preisprämie für Elektrofahrzeuge gesenkt werden, und das hängt von einer Sache ab: den Batteriekosten. Westend61 über Getty Images

Verkauf von Elektrofahrzeugen sind in den letzten Jahren exponentiell gewachsen, begleitet von fallenden Preisen. Die Akzeptanz von Elektrofahrzeugen bleibt jedoch durch ihre begrenzt höherer Aufkleberpreis im Vergleich zu vergleichbaren Gasfahrzeugen, obwohl Die Gesamtbetriebskosten für Elektrofahrzeuge sind niedriger.

Elektrofahrzeuge und Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor dürften irgendwann im nächsten Jahrzehnt die Preisparität für Aufkleber erreichen. Das Timing hängt von einem entscheidenden Faktor ab: den Batteriekosten. Der Akku eines Elektrofahrzeugs macht ungefähr aus ein Viertel der gesamten FahrzeugkostenDies macht es zum wichtigsten Faktor für den Verkaufspreis.

Die Preise für Akkus sind schnell gefallen. Ein typischer EV-Akku speichert 10-100 Kilowattstunden (kWh) Strom. Zum Beispiel hat der Mitsubishi i-MIEV eine Batteriekapazität von 16 kWh und eine Reichweite von 62 Meilen, und das Tesla Model S hat eine Batteriekapazität von 100 kWh und eine Reichweite von 400 Meilen. Im Jahr 2010 lag der Preis für einen EV-Akku bei über 1,000 USD pro kWh. Das fiel auf 150 USD pro kWh im Jahr 2019. Die Herausforderung für die Automobilindustrie besteht darin, herauszufinden, wie die Kosten weiter gesenkt werden können.

Das Ziel des Energieministeriums Für die Industrie ist es, den Preis für Akkus auf weniger als 100 USD / kWh und letztendlich auf etwa 80 USD / kWh zu senken. Bei diesen Batteriepreisen ist der Aufkleberpreis eines Elektrofahrzeugs wahrscheinlich niedriger als der eines vergleichbaren Fahrzeugs mit Verbrennungsmotor.

Die Prognose, wann dieser Preisübergang stattfinden wird, erfordert Modelle, die die Kostenvariablen berücksichtigen: Design, Materialien, Arbeitskräfte, Fertigungskapazität und Nachfrage. Diese Modelle zeigen auch, wo sich Forscher und Hersteller auf die Reduzierung der Batteriekosten konzentrieren. Unsere Gruppe An der Carnegie Mellon University wurde ein Modell der Batteriekosten entwickelt, das alle Aspekte der Herstellung von Elektrofahrzeugbatterien berücksichtigt.

Von unten nach oben

Modelle zur Analyse der Batteriekosten werden entweder als „von oben nach unten“ oder „von unten nach oben“ klassifiziert. Top-down-Modelle prognostizieren Kosten hauptsächlich basierend auf Nachfrage und Zeit. Ein beliebtes Top-Down-Modell, das es kann prognostizierte Batteriekosten ist Wrights Gesetz, das vorhersagt, dass die Kosten sinken, wenn mehr Einheiten produziert werden. Skaleneffekte und die Erfahrung, die eine Branche im Laufe der Zeit sammelt, senken die Kosten.

Wrights Gesetz ist generisch. Es klappt über alle Technologien hinweg, was es möglich macht, vorherzusagen Der Rückgang der Batteriekosten basiert auf dem Rückgang der Solarmodulkosten. Das Wright-Gesetz erlaubt jedoch - wie andere Top-Down-Modelle - keine Analyse der Ursachen der Kostensenkungen. Dafür ist ein Bottom-Up-Modell erforderlich.

Der Akku, der große graue Block, der das Chassis in diesem Diagramm eines Elektroautos ausfüllt, trägt den größten Teil aller Komponenten zum Preis eines Elektrofahrzeugs bei. Sven Loeffler / iStock über Getty Images

Um ein Bottom-up-Kostenmodell zu erstellen, ist es wichtig zu verstehen, wie eine Batterie hergestellt wird. Lithium-Ionen-Batterien bestehen aus einer positiven Elektrode, der Kathode, einer negativen Elektrode, der Anode und einem Elektrolyten sowie Hilfskomponenten wie Anschlüssen und Gehäuse.

Für jede Komponente fallen Kosten für Material, Herstellung, Montage, Kosten für die Instandhaltung der Fabrik und Gemeinkosten an. Bei Elektrofahrzeugen müssen Batterien auch in kleine Gruppen von Zellen oder Modulen integriert werden, die dann zu Packs kombiniert werden.

Unsere Open Source, Bottom-Up-Batteriekostenmodell folgt der gleichen Struktur wie der Batterieherstellungsprozess selbst. Das Modell verwendet Eingaben in den Batterieherstellungsprozess als Eingaben in das Modell, einschließlich Batteriedesignspezifikationen, Rohstoff- und Arbeitspreisen, Kapitalinvestitionsanforderungen wie Produktionsanlagen und -ausrüstungen, Gemeinkosten und Herstellungsvolumen, um Skaleneffekte zu berücksichtigen. Diese Eingaben werden verwendet, um Herstellungskosten, Materialkosten und Gemeinkosten zu berechnen. Diese Kosten werden summiert, um die endgültigen Kosten zu erhalten.

Möglichkeiten zur Kostensenkung

Mithilfe unseres Bottom-up-Kostenmodells können wir die Beiträge jedes Teils der Batterie zu den Gesamtbatteriekosten aufschlüsseln und anhand dieser Erkenntnisse die Auswirkungen von Batterieinnovationen auf die EV-Kosten analysieren. Materialien machen mit rund 50% den größten Teil der gesamten Batteriekosten aus. Die Kathode macht etwa 43% der Materialkosten aus, und andere Zellmaterialien machen etwa 36% aus.

Verbesserungen bei Kathodenmaterialien sind die wichtigsten Innovationen, da die Kathode die größte Komponente der Batteriekosten darstellt. Das treibt stark an Interesse an Rohstoffpreisen.

Die gebräuchlichsten Kathodenmaterialien für Elektrofahrzeuge sind Nickel-Kobalt-Aluminiumoxid in Tesla-Fahrzeugen verwendet, Nickel-Mangan-Kobaltoxid verwendet in die meisten anderen Elektrofahrzeugeund Lithiumeisenphosphat wird in den meisten Elektrobussen verwendet.

Nickel-Kobalt-Aluminiumoxid hat die niedrigsten Kosten pro Energiegehalt und die höchste Energie pro Masseneinheit oder spezifische Energie dieser drei Materialien. Niedrige Kosten pro Energieeinheit ergeben sich aus einer hohen spezifischen Energie, da weniger Zellen zum Aufbau eines Akkus benötigt werden. Dies führt zu geringeren Kosten für andere Zellmaterialien. Kobalt ist das teuerste Material innerhalb der Kathode, daher führen Formulierungen dieser Materialien mit weniger Kobalt typischerweise zu billigeren Batterien.

Inaktive Zellmaterialien wie Tabs und Behälter machen etwa 36% der gesamten Zellmaterialkosten aus. Diese anderen Zellmaterialien fügen der Batterie keinen Energiegehalt hinzu. Das Reduzieren inaktiver Materialien reduziert daher das Gewicht und die Größe von Batteriezellen, ohne den Energiegehalt zu reduzieren. Dies weckt das Interesse an einer Verbesserung des Zelldesigns mit Innovationen wie Tabless-Batterien wie die, die von Tesla gehänselt werden.

Die Kosten für Akkus sinken ebenfalls erheblich, da die Anzahl der Zellenhersteller jährlich steigt. Da mehr EV-Batteriefabriken komm onlineSkaleneffekte und weitere Verbesserungen bei der Herstellung und dem Design von Batterien sollten zu weiteren Kostensenkungen führen.

Weg zur Preisparität

Die Vorhersage eines Zeitplans für die Preisparität mit ICE-Fahrzeugen erfordert die Vorhersage eines zukünftigen Verlaufs der Batteriekosten. Wir schätzen, dass die Reduzierung der Rohstoffkosten, die Verbesserung der Leistung und das Lernen durch gemeinsame Herstellung bis 80 wahrscheinlich zu Batterien mit Packungskosten unter 2025 USD / kWh führen werden.

Vorausgesetzt, Batterien repräsentieren ein Viertel der EV-KostenEin 100-kWh-Akku mit 75 US-Dollar pro Kilowattstunde kostet etwa 30,000 US-Dollar. Dies sollte zu Preisen für EV-Aufkleber führen, die niedriger sind als die Aufkleberpreise für vergleichbare Modelle von gasbetriebenen Autos.

Über den Autor

Venkat Viswanathan, außerordentlicher Professor für Maschinenbau, Carnegie Mellon University;; Alexander Bills, Ph.D. Kandidat im Maschinenbau, Carnegie Mellon Universityund Shashank Sripad, Ph.D. Kandidat im Maschinenbau, Carnegie Mellon University

Abhinav Misalkar hat als Doktorand an der Carnegie Mellon University zu diesem Artikel beigetragen.

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