Sostituire le auto alimentate a gas con emissioni di carbonio con veicoli elettrici richiede di abbattere il prezzo premium dei veicoli elettrici e questo si riduce a una cosa: il costo della batteria. Westend61 tramite Getty Images

Vendite di veicoli elettrici sono cresciuti esponenzialmente negli ultimi anni, accompagnati da un calo dei prezzi. Tuttavia, l'adozione di veicoli elettrici rimane limitata dal loro prezzo adesivo più alto rispetto a veicoli a gas comparabili, anche se il costo totale di proprietà per veicoli elettrici è inferiore.

I veicoli elettrici e i veicoli con motore a combustione interna raggiungeranno probabilmente la parità dei prezzi degli adesivi nel prossimo decennio. Il tempismo dipende da un fattore cruciale: il costo della batteria. Il pacco batterie di un EV rappresenta circa un quarto del costo totale del veicolo, rendendolo il fattore più importante nel prezzo di vendita.

I prezzi del pacco batteria sono scesi rapidamente. Un tipico pacco batterie EV immagazzina 10-100 chilowattora (kWh) di elettricità. Ad esempio, Mitsubishi i-MIEV ha una capacità della batteria di 16 kWh e un'autonomia di 62 miglia e il modello Tesla S ha una capacità della batteria di 100 kWh e un'autonomia di 400 miglia. Nel 2010, il prezzo di un pacco batterie EV era di oltre $ 1,000 per kWh. È caduto a $ 150 per kWh nel 2019. La sfida per l'industria automobilistica è capire come ridurre ulteriormente i costi.

I Obiettivo del Dipartimento dell'Energia per l'industria è ridurre il prezzo dei pacchi batterie a meno di $ 100 / kWh e, in definitiva, a circa $ 80 / kWh. A questi livelli di prezzo della batteria, il prezzo dell'adesivo di un veicolo elettrico è probabilmente inferiore a quello di un veicolo con motore a combustione comparabile.

La previsione del crossover dei prezzi richiede modelli che tengano conto delle variabili di costo: design, materiali, manodopera, capacità produttiva e domanda. Questi modelli mostrano anche dove ricercatori e produttori stanno concentrando i loro sforzi per ridurre i costi della batteria. Il nostro gruppo alla Carnegie Mellon University ha sviluppato un modello di costi della batteria che tiene conto di tutti gli aspetti della produzione di batterie per veicoli elettrici.

Dal basso verso l'alto

I modelli utilizzati per l'analisi dei costi della batteria sono classificati come "top down" o "bottom up". I modelli top-down prevedono costi basati principalmente sulla domanda e sul tempo. Un modello top-down popolare che può costo della batteria previsto è la legge di Wright, che prevede che i costi diminuiscano man mano che vengono prodotte più unità. Le economie di scala e l'esperienza acquisita da un'industria nel tempo riducono i costi.

La legge di Wright è generica. Funziona attraverso tutte le tecnologie, che consente di prevedere il costo della batteria diminuisce in base al calo del costo del pannello solare. Tuttavia, la legge di Wright - come altri modelli top-down - non consente l'analisi delle fonti del calo dei costi. Per questo, è richiesto un modello bottom-up.

Il pacco batterie, il grande blocco grigio che riempie il telaio in questo diagramma di un'auto elettrica, contribuisce al massimo di qualsiasi componente al prezzo di un veicolo elettrico. Sven Loeffler / iStock tramite Getty Images

Per costruire un modello di costo dal basso verso l'alto, è importante capire cosa serve per creare una batteria. Le batterie agli ioni di litio sono costituite da un elettrodo positivo, il catodo, un elettrodo negativo, l'anodo e un elettrolita, nonché da componenti ausiliari come terminali e involucro.

Ogni componente ha un costo associato ai suoi materiali, produzione, assemblaggio, spese relative alla manutenzione della fabbrica e costi generali. Per i veicoli elettrici, le batterie devono anche essere integrate in piccoli gruppi di celle o moduli, che vengono poi combinati in pacchi.

Il nostro modello di costo della batteria open source dal basso verso l'alto segue la stessa struttura del processo di produzione della batteria stessa. Il modello utilizza input per il processo di produzione della batteria come input per il modello, tra cui specifiche di progettazione della batteria, prezzi delle materie prime e della manodopera, requisiti di investimento di capitale come impianti e attrezzature di produzione, tassi generali e volume di produzione per tenere conto delle economie di scala. Utilizza questi input per calcolare i costi di produzione, i costi del materiale e i costi generali e tali costi vengono sommati per arrivare al costo finale.

Opportunità di riduzione dei costi

Utilizzando il nostro modello di costo bottom-up, possiamo suddividere i contributi di ciascuna parte della batteria al costo totale della batteria e utilizzare tali approfondimenti per analizzare l'impatto delle innovazioni della batteria sul costo dei veicoli elettrici. I materiali rappresentano la maggior parte del costo totale della batteria, circa il 50%. Il catodo rappresenta circa il 43% del costo dei materiali e altri materiali cellulari rappresentano circa il 36%.

I miglioramenti nei materiali catodici sono le innovazioni più importanti, poiché il catodo è il componente più grande del costo della batteria. Questo spinge forte interesse per i prezzi delle materie prime.

I materiali catodici più comuni per i veicoli elettrici sono l'ossido di alluminio cobalto nichel utilizzato nei veicoli Tesla, nichel manganese ossido di cobalto utilizzato in la maggior parte degli altri veicoli elettricie litio ferro fosfato utilizzato nella maggior parte degli autobus elettrici.

L'ossido di nichel e cobalto ha il più basso costo per contenuto energetico e la più alta energia per unità di massa, o energia specifica, di questi tre materiali. Un basso costo per unità di energia deriva da un'alta energia specifica perché sono necessarie meno celle per costruire un pacco batteria. Ciò comporta un costo inferiore per altri materiali cellulari. Il cobalto è il materiale più costoso all'interno del catodo, quindi le formulazioni di questi materiali con meno cobalto in genere portano a batterie più economiche.

I materiali cellulari inattivi come linguette e contenitori rappresentano circa il 36% del costo totale dei materiali cellulari. Questi altri materiali cellulari non aggiungono contenuto energetico alla batteria. Pertanto, la riduzione dei materiali inattivi riduce il peso e le dimensioni delle celle della batteria senza ridurre il contenuto di energia. Ciò stimola l'interesse a migliorare il design delle celle con innovazioni come batterie senza linguetta come quelli presi in giro da Tesla.

Anche il costo del pacco batteria diminuisce in modo significativo con un aumento del numero di celle prodotte dai produttori ogni anno. Come più fabbriche di batterie EV vieni on-line, le economie di scala e l'ulteriore miglioramento della produzione e della progettazione delle batterie dovrebbero comportare ulteriori riduzioni dei costi.

Strada verso la parità dei prezzi

La previsione di una tempistica per la parità dei prezzi con i veicoli ICE richiede di prevedere una traiettoria futura dei costi della batteria. Stimiamo che la riduzione dei costi delle materie prime, il miglioramento delle prestazioni e l'apprendimento mediante la produzione insieme condurranno probabilmente a batterie con costi di imballaggio inferiori a $ 80 / kWh entro il 2025.

Supponendo che le batterie rappresentino un quarto del costo EV, un pacco batterie da 100 kWh a $ 75 per chilowattora ha un costo di circa $ 30,000. Ciò dovrebbe comportare prezzi di adesivi per veicoli elettrici che sono inferiori ai prezzi degli adesivi per modelli comparabili di auto a gas.

Riguardo agli Autori

Venkat Viswanathan, professore associato di ingegneria meccanica, Carnegie Mellon University; Alexander Bills, Ph.D. Candidato in ingegneria meccanica, Carnegie Mellon Universitye Shashank Sripad, Ph.D. Candidato in ingegneria meccanica, Carnegie Mellon University

Abhinav Misalkar ha contribuito a questo articolo mentre era uno studente laureato alla Carnegie Mellon University.

Questo articolo è ripubblicato da The Conversation sotto una licenza Creative Commons. Leggi il articolo originale.