Mengganti kereta berkuasa gas yang mengeluarkan karbon dengan EV memerlukan mengurangkan harga premium EV, dan itu menjadi satu perkara: kos bateri. Westend61 melalui Getty Images

Penjualan kenderaan elektrik telah berkembang pesat dalam beberapa tahun kebelakangan ini, disertai dengan penurunan harga. Walau bagaimanapun, penggunaan EV masih terhad oleh mereka harga pelekat lebih tinggi berbanding dengan kenderaan gas yang setanding, walaupun kos pemilikan keseluruhan EV adalah lebih rendah.

EV dan kenderaan enjin pembakaran dalaman kemungkinan akan mencapai paritas harga pelekat pada dekad yang akan datang. Masa bergantung pada satu faktor penting: kos bateri. Pek bateri EV menyumbang kira-kira seperempat dari jumlah kos kenderaan, menjadikannya faktor terpenting dalam harga jualan.

Harga pek bateri telah jatuh dengan cepat. Pek bateri EV biasa menyimpan 10-100 kilowatt jam (kWh) elektrik. Sebagai contoh, Mitsubishi i-MIEV mempunyai kapasiti bateri 16 kWh dan jarak 62 batu, dan model Tesla S mempunyai kapasiti bateri 100 kWh dan jarak 400 mil. Pada tahun 2010, harga pek bateri EV melebihi $ 1,000 per kWh. Itu jatuh ke $ 150 per kWh pada tahun 2019. Cabaran untuk industri automotif adalah mencari cara untuk menurunkan kos lebih jauh.

. Matlamat Jabatan Tenaga untuk industri adalah untuk mengurangkan harga pek bateri menjadi kurang dari $ 100 / kWh dan akhirnya menjadi sekitar $ 80 / kWh. Pada titik harga bateri ini, harga pelekat EV kemungkinan lebih rendah daripada kenderaan enjin pembakaran yang setanding.

Meramalkan bila crossover harga akan berlaku memerlukan model yang memperhitungkan pemboleh ubah kos: reka bentuk, bahan, tenaga kerja, kapasiti pembuatan dan permintaan. Model-model ini juga menunjukkan di mana para penyelidik dan pengeluar memfokuskan usaha mereka untuk mengurangkan kos bateri. Kumpulan kita di Carnegie Mellon University telah mengembangkan model kos bateri yang merangkumi semua aspek pembuatan bateri EV.

Dari bawah ke atas

Model yang digunakan untuk menganalisis kos bateri diklasifikasikan sebagai "atas ke bawah" atau "bawah ke atas." Model top-down meramalkan kos berdasarkan permintaan dan masa. Satu model top-down popular yang boleh ramalan kos bateri adalah undang-undang Wright, yang meramalkan bahawa kos akan turun kerana lebih banyak unit dihasilkan. Ekonomi skala dan pengalaman yang diperoleh industri dari masa ke masa menurunkan kos.

Undang-undang Wright adalah generik. Ianya berfungsi merentasi semua teknologi, yang memungkinkan untuk membuat ramalan penurunan kos bateri berdasarkan penurunan kos panel solar. Walau bagaimanapun, undang-undang Wright - seperti model top-down lain - tidak membenarkan analisis sumber penurunan kos. Untuk itu, model dari bawah ke atas diperlukan.

Pek bateri, blok kelabu besar yang mengisi casis dalam gambar kereta elektrik ini, menyumbang sebahagian besar komponen apa pun kepada harga EV. Sven Loeffler / iStock melalui Getty Images

Untuk membina model kos dari bawah ke atas, penting untuk memahami apa yang dimaksudkan dengan membuat bateri. Bateri ion litium terdiri daripada elektrod positif, katod, elektrod negatif, anod dan elektrolit, serta komponen tambahan seperti terminal dan selongsong.

Setiap komponen mempunyai kos yang berkaitan dengan bahan, pembuatan, pemasangan, perbelanjaan yang berkaitan dengan penyelenggaraan kilang, dan kos overhed. Untuk EV, bateri juga perlu disatukan ke dalam kumpulan kecil sel, atau modul, yang kemudian digabungkan menjadi satu pek.

Kami sumber terbuka, model kos bateri bawah-atas mengikuti struktur yang sama dengan proses pembuatan bateri itu sendiri. Model ini menggunakan input untuk proses pembuatan bateri sebagai input untuk model, termasuk spesifikasi reka bentuk bateri, harga komoditi dan tenaga kerja, keperluan pelaburan modal seperti kilang dan peralatan pembuatan, kadar overhead dan jumlah pembuatan untuk mempertimbangkan skala ekonomi. Ia menggunakan input ini untuk menghitung kos pembuatan, kos bahan dan kos overhed, dan kos tersebut dijumlahkan untuk mencapai kos akhir.

Peluang mengurangkan kos

Dengan menggunakan model kos bawah ke atas, kami dapat menguraikan sumbangan setiap bahagian bateri terhadap jumlah kos bateri dan menggunakan pandangan tersebut untuk menganalisis kesan inovasi bateri terhadap kos EV. Bahan merupakan bahagian terbesar dari jumlah kos bateri, sekitar 50%. Katod menyumbang sekitar 43% dari kos bahan, dan bahan sel lain menyumbang sekitar 36%.

Peningkatan dalam bahan katod adalah inovasi yang paling penting, kerana katod adalah komponen kos bateri terbesar. Ini mendorong kuat minat terhadap harga komoditi.

Bahan katod yang paling biasa untuk kenderaan elektrik adalah nikel kobalt aluminium oksida digunakan dalam kenderaan Tesla, nikel manganese kobalt oxide digunakan dalam kebanyakan kenderaan elektrik yang lain, dan litium besi fosfat digunakan di kebanyakan bas elektrik.

Nikel kobalt aluminium oksida mempunyai kandungan kos per tenaga terendah dan tenaga per unit paling tinggi, atau tenaga spesifik, dari ketiga bahan ini. Kos per unit tenaga yang rendah berpunca daripada tenaga spesifik yang tinggi kerana lebih sedikit sel diperlukan untuk membina pek bateri. Ini menghasilkan kos yang lebih rendah untuk bahan sel lain. Kobalt adalah bahan yang paling mahal dalam katod, jadi formulasi bahan-bahan ini dengan kobalt yang kurang biasanya menyebabkan bateri lebih murah.

Bahan sel tidak aktif seperti tab dan bekas menyumbang kira-kira 36% daripada jumlah kos bahan sel. Bahan sel lain ini tidak menambahkan kandungan tenaga ke dalam bateri. Oleh itu, mengurangkan bahan yang tidak aktif dapat mengurangkan berat dan saiz sel bateri tanpa mengurangkan kandungan tenaga. Ini mendorong minat untuk meningkatkan reka bentuk sel dengan inovasi seperti bateri tanpa tab seperti yang diusik oleh Tesla.

Kos pek bateri juga berkurangan dengan peningkatan jumlah sel yang dihasilkan pengeluar setiap tahun. Sebagai lebih banyak kilang bateri EV datang secara on-line, skala ekonomi dan peningkatan lebih lanjut dalam pembuatan dan reka bentuk bateri akan menyebabkan penurunan kos selanjutnya.

Jalan menuju keseimbangan harga

Meramalkan garis masa untuk kesamaan harga dengan kenderaan ICE memerlukan ramalan laju kos bateri masa depan. Kami menganggarkan bahawa pengurangan kos bahan mentah, peningkatan prestasi dan pembelajaran dengan pembuatan bersama mungkin menyebabkan bateri dengan kos pek di bawah $ 80 / kWh menjelang 2025.

Andaikan bateri mewakili seperempat daripada kos EV, pek bateri 100 kWh pada harga $ 75 per kilowatt jam menghasilkan kos sekitar $ 30,000. Ini akan mengakibatkan harga pelekat EV lebih rendah daripada harga pelekat untuk model kereta bertenaga gas yang setanding.

Mengenai Pengarang

Venkat Viswanathan, Profesor Madya Kejuruteraan Mekanikal, Carnegie Mellon University; Alexander Bills, Ph.D. Calon Kejuruteraan Mekanikal, Carnegie Mellon University, dan Shashank Sripad, Ph.D. Calon Kejuruteraan Mekanikal, Carnegie Mellon University

Abhinav Misalkar menyumbang kepada artikel ini semasa dia adalah pelajar siswazah di Universiti Carnegie Mellon.

Artikel ini diterbitkan semula daripada Perbualan di bawah lesen Creative Commons. Membaca artikel asal.