Venkat Viswanathan ، Alexander Bills and Shashank Sripad ، 27 ژوئیه سال 2020
فروش وسایل نقلیه برقی طی سالهای اخیر بصورت تصاعدی رشد داشته است و همراه با افت قیمت ها است. با این حال قیمت آنها نسبت به وسایل نقلیه بنزینی با کمی اغماض قابل مقایسه است .
خودرو های برقی و وسایل نقلیه موتور احتراق داخلی احتمالاً در دهه آینده به برابری قیمت خواهند رسید. زمان بندی به یک عامل مهم است: هزینه باتری خودروهای برقی یک چهارم کل هزینه خودرو را شامل می شود و این مهمترین عامل در قیمت فروش محسوب می شود.
قیمت باتری به سرعت کاهش یافته است. یک باتری خودروهای برقی معمولی 10-100(کیلووات ساعت) برق را ذخیره می کند. به عنوان مثال میتسوبیشی i-MIخودروهای برقی دارای ظرفیت باتری 16 کیلو وات ساعت و برد 62 مایل است و مدل تسلا مدل S دارای ظرفیت باتری 100 کیلووات ساعت و برد 400 مایل است. در سال 2010 ، قیمت یک باتری خودروهای برقی بیش از 1000 دلار برای هر کیلووات ساعت بود. این میزان در سال 2019 به 150 دلار برای هر کیلووات ساعت کاهش یافت. چالش صنعت خودرو این است که چگونه می تواند هزینه ها را پایین تر بیاورد.
هدف وزارت انرژی در آمریکا برای این صنعت ، کاهش قیمت باتری ها به کمتر از 100 دلار در کیلووات ساعت و در نهایت به حدود 80 دلار در کیلووات ساعت است. در این قیمت باتری ، قیمت خودروهای برقی احتمالاً پایین تر از خودروی موتور احتراقی و قابل مقایسه است.
پیش بینی زمان وقوع این تقابل قیمت نیاز به مدل هایی دارد که متغیرهای هزینه را شامل می شوند: طراحی ، مواد ، نیروی کار ، ظرفیت تولید و تقاضا. این مدل ها همچنین نشان می دهد که محققان و تولید کنندگان کوشش خود را برای کاهش هزینه های باتری متمرکز می کنند. گروه ما در دانشگاه کارنگی ملون مدلی از هزینه های باتری را تهیه کرده است که تمامی جنبه های تولید باتری خودروهای برقی را شامل می شود.
از پایین به بالا
مدل های مورد استفاده برای تجزیه و تحلیل هزینه های باتری یا به صورت “بالا به پایین” یا “پایین به پایین” طبقه بندی می شوند. مدل های از بالا به پایین هزینه را که اساساً بر اساس تقاضا و زمان است ، پیش بینی می کنند. یکی از مدل های محبوب بالا به پایین که می تواند قیمت باتری را پیش بینی کند قانون رایت است که پیش بینی می کند با تولید بیشتر هزینه ها کاهش می یابد. اقتصاد مقیاس و تجربه ای که یک صنعت با گذر زمان بدست می آورد باعث کاهش هزینه ها می شود.
قانون رایت عمومی است. این سیستم در تمام فناوری ها کار می کند ، و این باعث می شود پیش بینی کاهش قیمت باتری بر اساس کاهش هزینه پانل خورشیدی انجام شود. با این حال ، قانون رایت – مانند سایر مدل های از بالا به پایین – امکان تجزیه و تحلیل منابع کاهش هزینه را نمی دهد. برای این کار ، یک مدل از پایین به بالا لازم است.
برای ساختن یک مدل هزینه از پایین به بالا ، مهم است که بدانید یک باتری ازچه چیزی ساخته می شود. باتری های لیتیوم یونی از یک الکترود مثبت ، کاتد ، یک الکترود منفی ، آند و یک الکترولیت و همچنین اجزای کمکی مانند ترمینال و پوشش تشکیل شده است.
هر مؤلفه هزینه ای در رابطه با مواد ، ساخت ، مونتاژ ، هزینه های مربوط به نگهداری کارخانه و هزینه های سربار دارد. برای خودروهای برقی ها ، باتری ها نیز باید در گروه های کوچک سلول یا ماژول ها ، که سپس در بسته ها قرار می گیرند ، یکپارچه و جمع شوند.
مدل هزینه باتری منبع باز و پایین به پایین از ساختار خود فرآیند تولید باتری پیروی می کند. این مدل از ورودی های فرایند تولید باتری به عنوان ورودی های مدل استفاده می کند ، از جمله مشخصات طراحی باتری ، کالاها و قیمت نیروی کار ، الزامات سرمایه گذاری مانند کارخانه ها و تجهیزات تولیدی ، نرخ سربار و حجم تولید برای پاسخگویی به مقیاس اقتصادی. از این ورودی ها برای محاسبه هزینه های تولید ، هزینه های مواد و هزینه های سربار استفاده می کند ، و هزینه های آن خلاصه می شود تا به هزینه نهایی برسند.
فرصت های کاهش هزینه
با استفاده از مدل هزینه پایین به بالا ، می توانیم سهم هر قسمت از باتری را به کل هزینه باتری تقسیم کنیم و از آن بینش ها برای تحلیل تأثیر نوآوری های باتری بر هزینه خودروهای برقی استفاده کنیم. مواد تشکیل دهنده بزرگترین بخش از کل هزینه باتری ، تقریباً 50٪ آن است. کاتد حدود 43٪ هزینه مواد ، و سایر مواد سلولی حدود 36٪ را به خود اختصاص داده است.
پیشرفت در مواد کاتدی مهمترین نوآوری است ، زیرا کاتد بزرگترین مؤلفه هزینه باتری است و حساسیت شدید به قیمت کالاها دارد.
متداول ترین مواد کاتدی برای وسایل نقلیه برقی عبارتند از اکسید آلومینیوم ، کبالت و نیکل که در خودروهای تسلا مورد استفاده قرار می گیرد ، اکسید کبالت منگنز نیکل مورد استفاده در اکثر وسایل نقلیه برقی و آهن فسفات لیتیوم در اکثر اتوبوس های برقی استفاده می شود.
اکسید آلومینیوم کبالت نیکل دارای کمترین هزینه برای هرواحد انرژی-محتوا و بالاترین انرژی در واحد-جرم یا انرژی خاص از این سه ماده است. این هزینه کم برای هر واحد انرژی از یک انرژی خاص بالا ناشی می شود زیرا سلول های کمتری برای ساخت یک باتری نیاز دارند. این امر منجر به هزینه کمتری برای سایر مواد سلولی می شود. کبالت گرانترین ماده داخل کاتد است ، بنابراین فرمولاسیون این مواد با میزان کبالت کمتر به طور معمول منجر به باتری های ارزان تر می شوند.
مواد سلولی غیرفعال مانند صفحات و بدنه تقریباً 36٪ از کل هزینه مواد یک ی ازسلول را تشکیل می دهند. این مواد سلول دیگر محتوای انرژی را به باتری اضافه نمی کنند. بنابراین کاهش مواد غیرفعال بدون کاهش میزان انرژی باعث کاهش وزن و اندازه سلولهای باتری می شود. این امر تاثیر به سزایی در پیشرفت در طراحی سلول با نوآوری هایی مانند باتری های بدون سیم مانند آنهایی که توسط تسلا تولید می شود ، دارد.
هزینه بدنه باتری نیز با افزایش تعداد سلولهای تولیدی سالانه ، به میزان قابل توجهی کاهش می یابد. با کارآیی بیشتر کارخانه های باتری خودروهای برقی ، اقتصاد مقیاس و پیشرفت بیشتر در تولید و طراحی باتری باید به کاهش بیشتر هزینه ها منجر شود.
مسیر برابری قیمت
پیش بینی یک جدول زمانی برای برابری قیمت خودروهای برقی و سوخت فسیلی نیاز به پیش بینی مسیر آینده هزینه های باتری دارد. ما تخمین می زنیم که کاهش در هزینه های مواد اولیه ، پیشرفت در عملکرد و هماهنگی در تولید مشترک منجر به باتری هایی با هزینه های زیر 80 دلار / کیلووات ساعت تا سال 2025 خواهد شد.
با فرض اینکه باتری ها یک چهارم هزینه خودروهای برقی را تشکیل می دهند ، یک باتری 100 کیلووات ساعت با 75 دلار در هر کیلووات ساعت بازده حدود 30،000 دلار را به همراه دارد. این امر باید منجر به برابری قیمت خودروهای برقی برای مدلهای قابل مقایسه با اتومبیل های بنزین باشد.
