A szén-dioxidot kibocsátó gázüzemű autók cseréjéhez elektromos járművekre van szükség az elektromos járművek árprémiumának csökkentésére, és ez egy dologból áll: az akkumulátor költségéből. Westend61 a Getty Images-en keresztül

Elektromos járművek értékesítése az utóbbi években ugrásszerűen nőtt, csökkenő árak kíséretében. Az EV-k elfogadása azonban továbbra is korlátozott magasabb matrica ára összehasonlítható gázüzemű járművekhez képest, pedig az elektromos járművek teljes költsége alacsonyabb.

Az EV-k és a belső égésű motorral felszerelt járművek valószínűleg a következő évtizedben érik el a matricák árparitását. Az időzítés egy döntő tényezőtől függ: az akkumulátor költsége. Egy EV akkumulátora kb a teljes járműköltség egynegyede, így ez az eladási ár legfontosabb tényezője.

Az akkumulátorok ára gyorsan csökken. Egy tipikus EV akkumulátor 10-100 kilowattóra (kWh) villamos energiát tárol. Például a Mitsubishi i-MIEV akkumulátorkapacitása 16 kWh, hatótávolsága 62 mérföld, a Tesla S modellé pedig 100 kWh és 400 mérföldes. 2010-ben az EV akkumulátor ára meghaladta az 1,000 dollárt / kWh. Ez esett 150 USD / kWh 2019-ben. Az autóipar számára az a kihívás, hogy kitaláljuk, hogyan lehet tovább csökkenteni a költségeket.

A Energiaügyi Minisztérium célja az ipar számára az akkumulátorok árának csökkentése kevesebb, mint 100 USD / kWh, és végül körülbelül 80 USD / kWh. Ezekben az akkumulátorok áraiban az EV matrica ára valószínűleg alacsonyabb lesz, mint egy hasonló égésű motorral felszerelt jármű ára.

Annak előrejelzéséhez, hogy ez az árváltozás mikor fog bekövetkezni, olyan modellekre van szükség, amelyek figyelembe veszik a költségváltozókat: tervezés, anyagok, munkaerő, gyártási kapacitás és kereslet. Ezek a modellek azt is mutatják, hogy a kutatók és a gyártók hová összpontosítják erőfeszítéseiket az akkumulátor költségeinek csökkentése érdekében. A mi csoportunk a Carnegie Mellon Egyetemen kidolgozott egy akkumulátorköltség-modellt, amely az EV akkumulátorgyártás minden szempontját figyelembe veszi.

Alulról felfelé

Az akkumulátor költségeinek elemzésére használt modelleket „felülről lefelé” vagy „lentről felfelé” osztályozzák. A felülről lefelé irányuló modellek elsősorban a kereslet és az idő alapján jósolják a költségeket. Egy népszerű felülről lefelé irányuló modell, amely képes előrejelzés az akkumulátor költségéről a Wright törvénye, amely azt jósolja, hogy a költségek csökkennek, mivel több egységet állítanak elő. A méretgazdaságosság és az ipar idővel megszerzett tapasztalata csökkenti a költségeket.

Wright törvénye általános. Működik minden technológiában, amely lehetővé teszi az előrejelzést az akkumulátor költsége csökken a napelemek költségcsökkenése alapján. Wright törvénye azonban - hasonlóan más felülről lefelé irányuló modellekhez - nem teszi lehetővé a költségcsökkenés forrásainak elemzését. Ehhez alulról felfelé építkező modellre van szükség.

Az akkumulátor, az elektromos autó alvázát kitöltő nagy szürke blokk, amely hozzájárul az elektromos alkatrészek árához. Sven Loeffler / iStock a Getty Images-en keresztül

Alulról felfelé építkező költségmodell felépítéséhez fontos megérteni, mi jár az akkumulátor gyártásával. A lítium-ion akkumulátorok tartalmaznak pozitív elektródot, a katódot, a negatív elektródot, az anódot és az elektrolitot, valamint olyan kiegészítő alkatrészeket, mint a kapcsok és a ház.

Minden alkatrésznek költségei vannak az anyagokkal, a gyártással, az összeszereléssel, a gyári karbantartással és a rezsiköltségekkel kapcsolatban. Az EV-k esetében az elemeket kis cellacsoportokba vagy modulokba is be kell építeni, amelyeket aztán csomagokba egyesítenek.

termékeink nyílt forráskódú, alulról felfelé épülő akkumulátor költségmodell ugyanazt a szerkezetet követi, mint maga az akkumulátor gyártási folyamata. A modell az elemgyártási folyamat inputjait használja a modell bemeneteként, ideértve az akkumulátorok tervezési specifikációit, az áru- és munkaerőárakat, a tőkebefektetési követelményeket, például a gyárakat és berendezéseket, az általános költségeket és a gyártási mennyiséget a méretgazdaságosság figyelembe vétele érdekében. Ezeket az inputokat felhasználja a gyártási költségek, az anyagköltségek és az általános költségek kiszámításához, és ezeket a költségeket összegezve megkapjuk a végső költséget.

Költségcsökkentési lehetőségek

Alulról felfelé irányuló költségmodellünk segítségével lebonthatjuk az akkumulátor egyes részeinek hozzájárulását az akkumulátor teljes költségéhez, és ezeket a felismeréseket felhasználva elemezhetjük az akkumulátorral kapcsolatos újítások hatását az EV költségére. Anyagok teszik ki az akkumulátor teljes költségének legnagyobb részét, körülbelül 50% -át. A katód az anyagok költségének körülbelül 43% -át, az egyéb celláké pedig körülbelül 36% -ot tesz ki.

A katódanyagok fejlesztése a legfontosabb újítás, mert a katód az elemköltség legnagyobb összetevője. Ez erősen hajt a nyersanyagárak iránti érdeklődés.

Az elektromos járműveknél a leggyakoribb katódanyagok a nikkel-kobalt-alumínium-oxid használt a Tesla járművekbenben használt nikkel-mangán-kobalt-oxid a legtöbb más elektromos járműés lítium-vas-foszfát használt a legtöbb elektromos busz.

A nikkel-kobalt-alumínium-oxid ebből a három anyagból a legalacsonyabb energiatartalomra és a legmagasabb egységnyi tömegre, vagy fajlagos energiára vonatkozik. Az alacsony energiaegység-költség a magas fajlagos energia miatt következik be, mivel kevesebb elemre van szükség az akkumulátorok felépítéséhez. Ez alacsonyabb költséget eredményez más sejtanyagok esetében. A kobalt a legdrágább anyag a katódon belül, ezért ezeknek az anyagoknak a kevesebb kobalttal történő kiszerelése általában olcsóbb elemekhez vezet.

Az inaktív cellaanyagok, mint például a fülek és a tartályok, az összes sejtanyagköltség hozzávetőlegesen 36% -át teszik ki. Ezek a más cellák nem adnak energiatartalmat az akkumulátornak. Ezért az inaktív anyagok csökkentése csökkenti az elemcellák súlyát és méretét anélkül, hogy csökkentené az energiatartalmat. Ez felkelti az érdeklődést a cellaterv fejlesztése iránt olyan újításokkal, mint a tablet nélküli elemeket mint akiket a Tesla ugrat.

Az akkumulátor költsége is jelentősen csökken, növekszik a gyártók által évente előállított cellák száma. Minél több EV akkumulátorgyár gyere on-line, a méretgazdaságosságnak, valamint az elemgyártás és -tervezés további javulásának további költségcsökkenéshez kell vezetnie.

Út az ár-paritás felé

Az ICE járművek árparitásának ütemtervének megjóslásához előre kell jelezni az akkumulátorok költségeinek jövőbeli pályáját. Becsléseink szerint a nyersanyagköltségek csökkenése, a teljesítmény javulása és a közös gyártással történő tanulás valószínűleg 80-ig 2025 USD / kWh alatti csomagolási költségű akkumulátorokhoz vezet.

Ha feltételezzük, hogy az elemek képviselik az EV költség egynegyede, egy 100 kWh-os akkumulátorcsomag, amelynek ára kilowattóránként 75 dollár, körülbelül 30,000 XNUMX dollár költséget eredményez. Ennek olyan EV-matricák árának kell lennie, amelyek alacsonyabbak, mint a gázüzemű autók hasonló modelljeinek matrica-árai.

A szerzőkről

Venkat Viswanathan, gépészmérnöki egyetemi docens, Carnegie Mellon University; Alexander Bills, Ph.D. Gépészmérnök-jelölt, Carnegie Mellon Universityés Shashank Sripad, Ph.D. Gépészmérnök-jelölt, Carnegie Mellon University

Abhinav Misalkar közreműködött ebben a cikkben, miközben a Carnegie Mellon Egyetemen végzős hallgató volt.

Ezt a cikket újra kiadják A beszélgetés Creative Commons licenc alatt. Olvassa el a eredeti cikk.