Hiilipäästöjä aiheuttavien kaasukäyttöisten autojen korvaaminen sähkökäyttöisillä moottorilla edellyttää EV: n hintapalkkion korvaamista, ja se johtuu yhdestä asiasta: akun kustannuksista. Westend61 Getty Imagesin kautta

Sähköajoneuvojen myynti ovat kasvaneet räjähdysmäisesti viime vuosina hintojen laskun seurauksena. Niiden rajoittaminen on kuitenkin edelleen rajoitettua korkeampi tarra hinta verrattuna vastaaviin kaasuajoneuvoihin, vaikka EV: n kokonaiskustannukset ovat alhaisemmat.

Sähköautot ja polttomoottoriajoneuvot saavuttavat todennäköisesti tarran hintapariteetin joskus seuraavan vuosikymmenen aikana. Ajoitus riippuu yhdestä tärkeästä tekijästä: akun hinnasta. EV: n akun osuus on noin neljäsosa ajoneuvon kokonaiskustannuksista, joten se on myyntihinnan tärkein tekijä.

Akkujen hinnat ovat laskeneet nopeasti. Tyypillinen EV-akku varastoi 10-100 kilowattituntia (kWh) sähköä. Esimerkiksi Mitsubishi i-MIEV: n akun kapasiteetti on 16 kWh ja kantavuus 62 mailia, ja Tesla-mallin S akun kapasiteetti on 100 kWh ja kantavuus 400 mailia. Vuonna 2010 EV-akkuhinnan hinta oli yli 1,000 dollaria / kWh. Se putosi 150 dollaria per kWh vuonna 2019. Autoteollisuuden haasteena on selvittää, kuinka alentaa kustannuksia edelleen.

- Energiaosaston tavoite teollisuudelle on tarkoitus alentaa akkujen hinta alle 100 dollariin / kWh ja lopulta noin 80 dollariin / kWh. Näissä akun hintapisteissä EV: n tarran hinta on todennäköisesti alhaisempi kuin vastaavan polttomoottoriajoneuvon.

Ennakkoarviointi hintakertymisen tapahtuessa edellyttää malleja, joissa otetaan huomioon kustannusmuuttujat: suunnittelu, materiaalit, työvoima, valmistuskapasiteetti ja kysyntä. Nämä mallit osoittavat myös, mihin tutkijat ja valmistajat keskittyvät pyrkiessään vähentämään akkukustannuksia. Meidän ryhmämme Carnegie Mellon University -tapahtumassa on kehittänyt akkujen kustannusmallin, joka ottaa huomioon kaikki EV-paristojen valmistuksen näkökohdat.

Alhaalta ylöspäin

Akumäärien analysoinnissa käytetyt mallit luokitellaan joko ylhäältä alas tai alhaalta ylös. Ylhäältä alas -mallit ennustavat kustannukset lähinnä kysynnän ja ajan perusteella. Yksi suosittu ylhäältä alas -malli, joka pystyy ennustettu akun hinta on Wrightin laki, joka ennustaa kustannusten laskevan, kun enemmän yksiköitä tuotetaan. Mittakaavaedut ja kokemukset, joita teollisuus saavat ajan myötä, vähentävät kustannuksia.

Wrightin laki on yleinen. Se toimii kaikilla tekniikoilla, jonka avulla on mahdollista ennustaa akkujen kustannusten lasku perustuu aurinkopaneelien kustannusten laskuun. Wrightin laki - kuten muutkin ylhäältä alas suuntautuvat mallit - ei kuitenkaan salli kustannuslaskujen lähteiden analysointia. Sitä varten tarvitaan alhaalta ylöspäin suuntautuva malli.

Akku, iso harmaa lohko, joka täyttää rungon tässä sähköauton kaaviossa, vaikuttaa suurimpaan osaan kaikista komponenteista EV: n hintaan. Sven Loeffler / iStock Getty Images -sovelluksen kautta

Alhaalta ylöspäin suuntautuvan kustannusmallin rakentamiseksi on tärkeää ymmärtää, mitä akun tekemiseen tarvitaan. Litium-ioni-akut koostuvat positiivisesta elektrodista, katodista, negatiivisesta elektrodista, anodista ja elektrolyytistä, samoin kuin apukomponenteista, kuten liittimistä ja kotelosta.

Jokaisella komponentilla on kustannukset, jotka liittyvät sen materiaaleihin, valmistukseen, kokoonpanoon, tehtaan ylläpitoon ja yleiskustannuksiin. EV: n paristot on myös integroitava pieniin soluryhmiin tai moduuleihin, jotka sitten yhdistetään pakkauksiksi.

Meidän avoimen lähdekoodin alhaalta ylöspäin suuntautuva akkuhintamalli noudattaa samaa rakennetta kuin itse akkujen valmistusprosessi. Malli käyttää syötteinä akkujen valmistusprosessia mallin sisäänajoina, mukaan lukien akkujen suunnittelutiedot, hyödykkeiden ja työvoiman hinnat, pääomasijoitusvaatimukset, kuten tuotantolaitokset ja laitteet, yleiskustannukset ja valmistusvolyymit mittakaavaetujen huomioon ottamiseksi. Se käyttää näitä panoksia laskeakseen valmistuskustannukset, materiaalikustannukset ja yleiskustannukset, ja nämä kustannukset summataan lopullisten kustannusten saamiseksi.

Kustannusten leikkausmahdollisuudet

Alhaalta ylöspäin suuntautuvaan kustannusmalliamme avulla voimme jakaa kunkin akun osan osuuden akun kokonaiskustannuksista ja käyttää näitä oivalluksia analysoidaksesi akkuinnovaatioiden vaikutuksia EV-kustannuksiin. Materiaalit muodostavat suurimman osan akun kokonaiskustannuksista, noin 50%. Katodin osuus materiaalikustannuksista on noin 43% ja muiden solumateriaalien osuus noin 36%.

Katodimateriaalien parannukset ovat tärkeimpiä innovaatioita, koska katodi on suurin osa akun kustannuksista. Tämä ajaa vahvasti kiinnostus hyödykkeiden hintoihin.

Sähköajoneuvojen yleisimmät katodimateriaalit ovat nikkelikoboltialumiinioksidi käytetään Teslan ajoneuvoissa, nikkel mangaanikobolttioksidi, jota käytetään useimmat muut sähköajoneuvotja litiumrautafosfaatti käytetään useimmissa sähköbusseissa.

Nikkelikoboltialumiinioksidilla on alhaisin kustannus / energia-arvo ja suurin energia yksikköä kohti eli ominaisenergia näistä kolmesta materiaalista. Alhaiset energiayksikkökustannukset johtuvat suuresta ominaisenergiasta, koska akkujen rakentamiseksi tarvitaan vähemmän soluja. Tämä johtaa muiden solumateriaalien kustannusten alenemiseen. Koboltti on katodin kallein materiaali, joten näiden materiaalien formulaatiot, joissa on vähemmän kobolttia, johtavat yleensä halvempiin akkuihin.

Ei-aktiiviset solumateriaalit, kuten kielekkeet ja säiliöt, muodostavat noin 36% solujen kokonaiskustannuksista. Nämä muut solumateriaalit eivät lisää akun energiapitoisuutta. Siksi inaktiivisten materiaalien vähentäminen vähentää akkukennojen painoa ja kokoa vähentämättä energiasisältöä. Tämä lisää kiinnostusta solujen suunnittelun parantamiseen muun muassa innovaatioiden avulla Pöytäparistot kuten ne, joita Tesla kiusaa.

Akun hinta laskee myös merkittävästi, kun solujen määrä kasvaa vuosittain. Koska enemmän EV akku tehtaita tule verkossa, mittakaavaetujen sekä paristojen valmistuksen ja suunnittelun edelleen parantamisen pitäisi johtaa kustannusten edelleen laskuun.

Tie hintapariteettiin

Hintapariteetin aikataulun ennustaminen ICE-ajoneuvojen kanssa edellyttää akun kustannusten tulevan etenemissuunnan ennustamista. Arvioimme, että raaka-ainekustannusten vähentyminen, suorituskyvyn parantaminen ja oppiminen valmistamalla yhdessä johtavat todennäköisesti paristoihin, joiden pakkauskustannukset ovat alle 80 dollaria / kWh vuoteen 2025 mennessä.

Oletetaan, että paristot edustavat neljäsosa EV: n kustannuksista, 100 kWh akku 75 dollarilla kilowattitunnilta tuottaa noin 30,000 XNUMX dollarin kustannukset. Tämän pitäisi johtaa EV-tarrahintoihin, jotka ovat alhaisemmat kuin vastaavien kaasukäyttöisten autojen tarrojen hinnat.

Tietoja kirjoittajista

Konetekniikan apulaisprofessori Venkat Viswanathan, Carnegie Mellon University; Alexander Bills, tohtori Konetekniikan ehdokas Carnegie Mellon Universityja Shashank Sripad, Ph.D. Konetekniikan ehdokas Carnegie Mellon University

Abhinav Misalkar osallistui tämän artikkelin kirjoittamiseen, kun hän oli jatko-opiskelija Carnegie Mellon Universityssä.

Tämä artikkeli julkaistaan ​​uudelleen Conversation Creative Commons -lisenssin alla. Lue alkuperäinen artikkeli.