La route vers les véhicules électriques avec des prix d'autocollants inférieurs à ceux des voitures à essence - Explication des coûts des batteries

La route vers les véhicules électriques avec des prix d'autocollants inférieurs à ceux des voitures à essence - Explication des coûts des batteriesLe remplacement des voitures à essence émettant du carbone par des véhicules électriques nécessite de réduire la prime de prix des véhicules électriques, et cela se résume à une chose: le coût de la batterie. Westend61 via Getty Images

Vente de véhicules électriques ont connu une croissance exponentielle ces dernières années, accompagnée d'une baisse des prix. Cependant, l'adoption des VE reste limitée par leur prix de l'autocollant plus élevé par rapport aux véhicules à essence comparables, même si le coût global de possession des véhicules électriques est inférieur.

Les véhicules électriques et les véhicules à moteur à combustion interne atteindront probablement la parité des prix au cours de la prochaine décennie. Le timing dépend d'un facteur crucial: le coût de la batterie. La batterie d'un véhicule électrique représente environ un quart du coût total du véhicule, ce qui en fait le facteur le plus important du prix de vente.

Les prix des batteries ont chuté rapidement. Une batterie EV typique stocke de 10 à 100 kilowattheures (kWh) d'électricité. Par exemple, le Mitsubishi i-MIEV a une capacité de batterie de 16 kWh et une autonomie de 62 miles, et le Tesla modèle S a une capacité de batterie de 100 kWh et une autonomie de 400 miles. En 2010, le prix d'une batterie EV dépassait 1,000 XNUMX $ le kWh. Qui est tombé à 150 $ par kWh en 2019. Le défi pour l'industrie automobile est de trouver comment réduire encore les coûts.

Le système Objectif du ministère de l'Énergie pour l'industrie est de réduire le prix des batteries à moins de 100 $ / kWh et finalement à environ 80 $ / kWh. À ces prix de batterie, le prix de la vignette d'un véhicule électrique est susceptible d'être inférieur à celui d'un véhicule à moteur thermique comparable.

La prévision du moment où ce croisement de prix se produira nécessite des modèles qui tiennent compte des variables de coût: conception, matériaux, main-d'œuvre, capacité de fabrication et demande. Ces modèles montrent également où les chercheurs et les fabricants concentrent leurs efforts pour réduire les coûts des batteries. Notre groupe à l'Université Carnegie Mellon a développé un modèle de coûts de batterie qui prend en compte tous les aspects de la fabrication de batteries EV.

De bas en haut

Les modèles utilisés pour analyser les coûts des batteries sont classés en «descendant» ou «ascendant». Les modèles descendants prédisent les coûts en fonction principalement de la demande et du temps. Un modèle top-down populaire qui peut prévision du coût de la batterie est la loi de Wright, qui prédit que les coûts diminuent à mesure que davantage d'unités sont produites. Les économies d'échelle et l'expérience acquise par une industrie au fil du temps réduisent les coûts.

La loi de Wright est générique. Ça marche à travers toutes les technologies, qui permet de prédire le coût des batteries diminue en fonction de la baisse des coûts des panneaux solaires. Cependant, la loi de Wright - comme d'autres modèles descendants - ne permet pas d'analyser les sources de la baisse des coûts. Pour cela, un modèle ascendant est nécessaire.


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La batterie, le gros bloc gris remplissant le châssis de ce schéma d'une voiture électrique, contribue le plus de tout composant au prix d'un véhicule électrique.La batterie, le gros bloc gris remplissant le châssis de ce schéma d'une voiture électrique, contribue le plus de tout composant au prix d'un véhicule électrique.. Sven Loeffler / iStock via Getty Images

Pour construire un modèle de coût ascendant, il est important de comprendre ce qui se passe dans la fabrication d'une batterie. Les batteries au lithium-ion se composent d'une électrode positive, la cathode, une électrode négative, l'anode et un électrolyte, ainsi que des composants auxiliaires tels que des bornes et un boîtier.

Chaque composant a un coût associé à ses matériaux, à sa fabrication, à son assemblage, aux dépenses liées à la maintenance en usine et aux frais généraux. Pour les véhicules électriques, les batteries doivent également être intégrées dans de petits groupes de cellules, ou modules, qui sont ensuite combinés en packs.

Découvrez modèle de coût de batterie ascendant et open source suit la même structure que le processus de fabrication de la batterie lui-même. Le modèle utilise des intrants pour le processus de fabrication de la batterie comme intrants dans le modèle, y compris les spécifications de conception de la batterie, les prix des produits de base et de la main-d'œuvre, les besoins d'investissement en capital comme les usines de fabrication et l'équipement, les frais généraux et le volume de fabrication pour tenir compte des économies d'échelle. Il utilise ces intrants pour calculer les coûts de fabrication, les coûts des matériaux et les frais généraux, et ces coûts sont additionnés pour arriver au coût final.

Opportunités de réduction des coûts

En utilisant notre modèle de coût ascendant, nous pouvons décomposer les contributions de chaque partie de la batterie au coût total de la batterie et utiliser ces informations pour analyser l'impact des innovations de batterie sur le coût des véhicules électriques. Les matériaux représentent la plus grande partie du coût total de la batterie, environ 50%. La cathode représente environ 43% du coût des matériaux et les autres matériaux cellulaires représentent environ 36%.

Les améliorations des matériaux de cathode sont les innovations les plus importantes, car la cathode est la composante la plus importante du coût de la batterie. Cela conduit fort intérêt pour les prix des matières premières.

Les matériaux de cathode les plus courants pour les véhicules électriques sont l'oxyde d'aluminium nickel-cobalt utilisé dans les véhicules Tesla, oxyde de nickel-manganèse-cobalt utilisé dans la plupart des autres véhicules électriqueset phosphate de fer lithium utilisé dans la plupart des bus électriques.

L'oxyde de nickel-cobalt et d'aluminium a le coût par contenu énergétique le plus bas et l'énergie par unité de masse, ou énergie spécifique, la plus élevée de ces trois matériaux. Un faible coût par unité d'énergie résulte d'une énergie spécifique élevée car moins de cellules sont nécessaires pour construire un pack de batteries. Cela se traduit par un coût inférieur pour les autres matériaux cellulaires. Le cobalt est le matériau le plus cher dans la cathode, de sorte que les formulations de ces matériaux avec moins de cobalt conduisent généralement à des batteries moins chères.

Les matériaux cellulaires inactifs tels que les onglets et les conteneurs représentent environ 36% du coût total des matériaux cellulaires. Ces autres matériaux cellulaires n'ajoutent pas de contenu énergétique à la batterie. Par conséquent, la réduction des matériaux inactifs réduit le poids et la taille des cellules de batterie sans réduire le contenu énergétique. Cela stimule l'intérêt pour l'amélioration de la conception des cellules avec des innovations telles que piles de table comme ceux qui sont taquinés par Tesla.

Le coût de la batterie diminue également de manière significative avec une augmentation du nombre de cellules produites annuellement par les fabricants. Comme plus d'usines de batteries EV connecte toi, les économies d'échelle et la poursuite de l'amélioration de la fabrication et de la conception des batteries devraient entraîner de nouvelles baisses de coûts.

Route vers la parité des prix

Prédire un calendrier de parité des prix avec les véhicules ICE nécessite de prévoir une trajectoire future des coûts des batteries. Nous estimons que la réduction des coûts des matières premières, l'amélioration des performances et l'apprentissage en fabriquant ensemble conduiront probablement à des batteries avec des coûts de pack inférieurs à 80 USD / kWh d'ici 2025.

En supposant que les batteries représentent un quart du coût du VE, une batterie de 100 kWh à 75 $ le kilowattheure coûte environ 30,000 XNUMX $. Cela devrait entraîner des prix des vignettes EV inférieurs aux prix des vignettes pour des modèles comparables de voitures à essence.

À propos des auteurs

Venkat Viswanathan, professeur agrégé de génie mécanique, Carnegie Mellon University; Alexander Bills, Ph.D. Candidat en génie mécanique, Carnegie Mellon Universityet Shashank Sripad, Ph.D. Candidat en génie mécanique, Carnegie Mellon University

Abhinav Misalkar a contribué à cet article alors qu'il était étudiant diplômé à l'Université Carnegie Mellon.La Conversation

Cet article est republié de La Conversation sous une licence Creative Commons. Lis le article original.

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