החלפת מכוניות המונעות על ידי פחמן עם רכבים חשמליים מחייבת הקטנת פרמיית המחיר של רכבים, וזה מסתכם בדבר אחד: עלות הסוללה. ווסטנד 61 באמצעות Getty Images

מכירות רכב חשמלי צמחו באופן אקספוננציאלי בשנים האחרונות, מלווים בירידת מחירים. עם זאת, אימוץ רכבים ניידים נותר מוגבל על ידי שלהם מחיר מדבקה גבוה יותר יחסית לרכבי דלק דומים, למרות עלות הבעלות הכוללת לרכבים נמוכים יותר.

רכבים ניידים ורכבי מנוע בעירה פנימית עשויים להגיע לשווי מחיר של מדבקות מתישהו בעשור הקרוב. העיתוי תלוי בגורם מכריע אחד: עלות הסוללה. חבילת הסוללה של EV מהווה בערך רבע מעלות הרכב הכוללת, מה שהופך אותו לגורם החשוב ביותר במחיר המכירה.

מחירי הסוללות ירדו במהירות. חבילת סוללות EV טיפוסית מאחסנת 10-100 קילוואט שעות (קוט"ש) חשמל. לדוגמא, למיצובישי i-MIEV יש קיבולת סוללה של 16 קוט"ש וטווח של 62 מייל, ולדגם S של טסלה יכולת סוללה של 100 קוט"ש וטווח של 400 מייל. בשנת 2010, מחיר סוללת EV היה מעל 1,000 דולר לקוט"ש. זה נפל ל 150 דולר לקוט"ש בשנת 2019. האתגר לתעשיית הרכב הוא להבין כיצד להוזיל את העלות עוד יותר.

אל האני מטרת משרד האנרגיה שכן התעשייה היא להפחית את מחיר חבילות הסוללה לפחות מ- $ 100 לקוט"ש ובסופו של דבר לכ- $ 80 לקוט"ש. בנקודות מחיר סוללה אלה, מחיר המדבקה של EV עשוי להיות נמוך מזה של רכב מנוע בעירה דומה.

חיזוי כאשר תחלוף מחיר זה דורש מודלים המתחשבים במשתני העלות: תכנון, חומרים, עבודה, כושר ייצור וביקוש. מודלים אלה מראים גם היכן חוקרים ויצרנים ממקדים את מאמציהם להפחית את עלויות הסוללה. הקבוצה שלנו באוניברסיטת קרנגי מלון פיתחה מודל של עלויות סוללות שמביא חשבון לכל ההיבטים בייצור סוללות EV.

מלמטה למעלה

מודלים המשמשים לניתוח עלויות הסוללה מסווגים כ- "מלמעלה למטה" או "מלמטה למעלה". מודלים מלמעלה למטה צופים עלות בעיקר על פי ביקוש וזמן. מודל אחד מלמעלה למטה פופולרי שיכול תחזית עלות הסוללה הוא החוק של רייט, שמנבא שהעלויות יורדות ככל שמייצרות יותר יחידות. חסכוני גודל והניסיון שענף רוכש לאורך זמן מורידים עלויות.

החוק של רייט הוא כללי. זה עובד בכל הטכנולוגיות, מה שמאפשר לחזות עלויות הסוללה יורדות בהתבסס על ירידות בעלויות הפאנל הסולארי. עם זאת, החוק של רייט - בדומה למודלים מלמעלה למטה - אינו מאפשר ניתוח מקורות הירידות בעלויות. לשם כך נדרש מודל מלמטה למעלה.

מארז הסוללה, הבלוק האפור הגדול שממלא את השלדה בתרשים זה של מכונית חשמלית, תורם הכי הרבה מכל רכיב למחיר EV.. סוון לופלר / iStock באמצעות Getty Images

כדי לבנות מודל עלות מלמטה למעלה, חשוב להבין מה עוסק בהפקת סוללה. סוללות ליתיום-יון מורכבות מאלקטרודה חיובית, הקתודה, אלקטרודה שלילית, האנודה ואלקטרוליט, וכן מרכיבי עזר כגון מסופים ומעטפת.

לכל רכיב יש עלות הקשורה לחומרים שלו, לייצור, להרכבה, להוצאות הקשורות לתחזוקת המפעל ועלויות התקורה. עבור רכבי חשמל, סוללות צריכות להיות משולבות גם בקבוצות קטנות של תאים, או במודולים, אשר משולבים לאחר מכן לחבילות.

את העתיד קוד פתוח, דגם עלות סוללה מלמטה למעלה עוקב אחר אותו מבנה כמו תהליך ייצור הסוללה עצמו. המודל משתמש בתשומות לתהליך ייצור הסוללות כתשומות למודל, כולל מפרט תכנון סוללות, מחירי סחורות ועבודה, דרישות השקעת הון כמו מפעלי ייצור וציוד, שיעורי תקורה ונפח ייצור כדי להתחשב בחסכונות הגודל. היא משתמשת בתשומות אלה כדי לחשב עלויות ייצור, עלויות חומר ועלויות תקורה, ועלויות אלה מתומצות כדי להגיע למחיר הסופי.

הזדמנויות לחיסכון בעלויות

בעזרת מודל העלות שלנו מלמטה למעלה, אנו יכולים לפרק את התרומות של כל חלק בסוללה לעלות הסוללה הכוללת ולהשתמש בתובנות אלה כדי לנתח את ההשפעה של חידושים בסוללה על עלות ה- EV. החומרים מהווים את החלק הגדול ביותר מעלות הסוללה הכוללת, בסביבות 50%. הקתודה מהווה כ 43% מעלות החומרים, וחומרי תא אחרים מהווים כ 36%.

שיפורים בחומרי הקתודה הם החידושים החשובים ביותר מכיוון שהקטודה היא המרכיב הגדול ביותר בעלות הסוללה. זה מניע חזק עניין במחירי סחורות.

חומרי הקתודה הנפוצים ביותר לרכבים חשמליים הם תחמוצת אלומיניום מניקל קובלט משמש ברכבי טסלה, תחמוצת קובלט מנגן ניקל המשמשת ב רוב הרכבים החשמליים האחריםופוספט ברזל ליתיום משמש ברוב האוטובוסים החשמליים.

תחמוצת אלומיניום קובלט ניקל כוללת את העלות הנמוכה ביותר לאנרגיה ואנרגיה ספציפית ליחידה, או אנרגיה ספציפית, משלושת החומרים הללו. עלות נמוכה ליחידת אנרגיה נובעת מאנרגיה ספציפית גבוהה מכיוון שיש צורך בפחות תאים לבניית חבילת סוללה. התוצאה היא עלות נמוכה יותר עבור חומרי תא אחרים. קובלט הוא החומר היקר ביותר בתוך הקתודה, ולכן ניסוחים של חומרים אלה עם פחות קובלט מובילים בדרך כלל לסוללות זולות יותר.

חומרי תא לא פעילים כמו לשוניות ומיכלים מהווים כ 36% מסך עלות חומרי התא. חומרי תאים אחרים אלה אינם מוסיפים תכולת אנרגיה לסוללה. לכן, הפחתת חומרים לא פעילים מפחיתה את משקלם וגודל תאי הסוללה מבלי להפחית את תכולת האנרגיה. זה מניע עניין בשיפור עיצוב תאים עם חידושים כגון סוללות ללא לשוניות כמו אלה שמקניטים אותם על ידי טסלה.

עלות מארז הסוללות יורדת משמעותית עם עלייה במספר התאים שמייצרים יצרנים מדי שנה. כמו עוד מפעלים לסוללות EV תתחבר, חסכונות בקנה מידה ושיפור נוסף בייצור ועיצוב הסוללות אמורות להוביל לירידות נוספות בעלויות.

דרך לשוויון מחירים

חיזוי ציר זמן לשיווי מחירים עם רכבי ICE מחייב חיזוי מסלול עתידי של עלויות הסוללה. אנו מעריכים כי הפחתה בעלויות חומרי הגלם, שיפורים בביצועים ולמידה על ידי ייצור יחד עשויים להוביל לסוללות בעלויות חבילה הנמוכות מ- $ 80 לקוט"ש עד שנת 2025.

בהנחה שהסוללות מייצגות רבע מעלות EV, סוללת 100 קילוואט בשעה 75 דולר לקילוואט שעה מניבה עלות של כ- 30,000 דולר. זה אמור לגרום למחירי מדבקות EV הנמוכים ממחירי המדבקות עבור דגמים דומים של מכוניות מונעות דלק.

אודות הסופרים

Venkat Viswanathan, פרופסור חבר להנדסת מכונות, אוניברסיטת קרנגי מלון; אלכסנדר בילס, דוקטורט. מועמד להנדסת מכונות, אוניברסיטת קרנגי מלוןוששנק סריפאד, דוקטורט. מועמד להנדסת מכונות, אוניברסיטת קרנגי מלון

אבחינב מיסאלקר תרם למאמר זה בעת שהיה סטודנט לתואר שני באוניברסיטת קרנגי מלון.

מאמר זה פורסם מחדש מתוך שיחה תחת רישיון Creative Commons. קרא את ה מאמר מקורי.