El camino hacia los vehículos eléctricos con precios de etiqueta más bajos que los automóviles a gasolina: se explican los costos de la batería

El camino hacia los vehículos eléctricos con precios de etiqueta más bajos que los automóviles a gasolina: se explican los costos de la bateríaReemplazar los automóviles a gas que emiten carbono con vehículos eléctricos requiere reducir el precio de los vehículos eléctricos, y eso se reduce a una cosa: el costo de la batería. Westend61 a través de Getty Images

Venta de vehículos eléctricos. han crecido exponencialmente en los últimos años, acompañados por la caída de los precios. Sin embargo, la adopción de vehículos eléctricos sigue siendo limitada por su mayor precio de etiqueta en relación con vehículos de gas comparables, aunque El costo total de propiedad de los vehículos eléctricos es menor.

Es probable que los vehículos eléctricos y los vehículos con motor de combustión interna alcancen la paridad del precio de etiqueta en algún momento de la próxima década. El momento depende de un factor crucial: el costo de la batería. La batería de un EV representa aproximadamente una cuarta parte del costo total del vehículo, lo que lo convierte en el factor más importante en el precio de venta.

Los precios de la batería han estado cayendo rápidamente. Un paquete de baterías EV típico almacena de 10 a 100 kilovatios hora (kWh) de electricidad. Por ejemplo, el Mitsubishi i-MIEV tiene una capacidad de batería de 16 kWh y un alcance de 62 millas, y el modelo S de Tesla tiene una capacidad de batería de 100 kWh y un alcance de 400 millas. En 2010, el precio de una batería EV era de más de $ 1,000 por kWh. Eso cayó a $ 150 por kWh en 2019. El desafío para la industria automotriz es descubrir cómo reducir aún más el costo.

La Meta del departamento de energía para la industria es reducir el precio de los paquetes de baterías a menos de $ 100 / kWh y, en última instancia, a aproximadamente $ 80 / kWh. En estos puntos de precio de la batería, es probable que el precio de etiqueta de un EV sea más bajo que el de un vehículo de motor de combustión comparable.

Pronosticar cuándo ocurrirá ese cruce de precios requiere modelos que tengan en cuenta las variables de costo: diseño, materiales, mano de obra, capacidad de fabricación y demanda. Estos modelos también muestran dónde los investigadores y los fabricantes están centrando sus esfuerzos para reducir los costos de la batería. Nuestro grupo La Universidad Carnegie Mellon ha desarrollado un modelo de costos de batería que tiene en cuenta todos los aspectos de la fabricación de baterías EV.

De abajo hacia arriba

Los modelos utilizados para analizar los costos de la batería se clasifican como "de arriba abajo" o "de abajo hacia arriba". Los modelos de arriba hacia abajo predicen el costo basándose principalmente en la demanda y el tiempo. Un modelo popular de arriba hacia abajo que puede pronosticar el costo de la batería es la ley de Wright, que predice que los costos disminuirán a medida que se produzcan más unidades. Las economías de escala y la experiencia que adquiere una industria con el tiempo reducen los costos.

La ley de Wright es genérica. Funciona en todas las tecnologías, lo que hace posible predecir Disminución del costo de la batería en función de la disminución del costo del panel solar. Sin embargo, la ley de Wright, como otros modelos de arriba hacia abajo, no permite el análisis de las fuentes de la disminución de costos. Para eso, se requiere un modelo de abajo hacia arriba.


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La batería, el gran bloque gris que llena el chasis en este diagrama de un automóvil eléctrico, contribuye al máximo de cualquier componente al precio de un EVLa batería, el gran bloque gris que llena el chasis en este diagrama de un automóvil eléctrico, contribuye al máximo de cualquier componente al precio de un EV. Sven Loeffler / iStock a través de Getty Images

Para construir un modelo de costo ascendente, es importante comprender lo que implica fabricar una batería. Las baterías de iones de litio consisten en un electrodo positivo, el cátodo, un electrodo negativo, el ánodo y un electrolito, así como componentes auxiliares como terminales y carcasa.

Cada componente tiene un costo asociado con sus materiales, fabricación, ensamblaje, gastos relacionados con el mantenimiento de la fábrica y costos generales. Para los vehículos eléctricos, las baterías también deben integrarse en pequeños grupos de celdas o módulos, que luego se combinan en paquetes.

Nuestro Modelo de código abierto, costo de batería ascendente sigue la misma estructura que el proceso de fabricación de la batería en sí. El modelo utiliza entradas al proceso de fabricación de la batería como entradas al modelo, incluidas las especificaciones de diseño de la batería, los precios de los productos básicos y la mano de obra, los requisitos de inversión de capital, como las plantas y equipos de fabricación, las tasas generales y el volumen de fabricación para tener en cuenta las economías de escala. Utiliza estas entradas para calcular los costos de fabricación, los costos de materiales y los costos generales, y esos costos se suman para llegar al costo final.

Oportunidades de reducción de costos

Usando nuestro modelo de costo ascendente, podemos desglosar las contribuciones de cada parte de la batería al costo total de la batería y usar esas ideas para analizar el impacto de las innovaciones de la batería en el costo de EV. Los materiales representan la mayor parte del costo total de la batería, alrededor del 50%. El cátodo representa alrededor del 43% del costo de los materiales, y otros materiales celulares representan alrededor del 36%.

Las mejoras en los materiales del cátodo son las innovaciones más importantes, porque el cátodo es el componente más importante del costo de la batería. Esto conduce fuerte interés en precios de productos.

Los materiales de cátodo más comunes para vehículos eléctricos son óxido de níquel, cobalto y aluminio. utilizado en vehículos Tesla, óxido de níquel, manganeso y cobalto utilizado en la mayoría de los otros vehículos eléctricosy fosfato de litio y hierro utilizado en la mayoría de los autobuses eléctricos.

El óxido de aluminio de níquel cobalto tiene el menor costo por contenido de energía y la mayor energía por unidad de masa, o energía específica, de estos tres materiales. Un bajo costo por unidad de energía resulta de una alta energía específica porque se necesitan menos celdas para construir una batería. Esto da como resultado un menor costo para otros materiales celulares. El cobalto es el material más caro dentro del cátodo, por lo que las formulaciones de estos materiales con menos cobalto generalmente conducen a baterías más baratas.

Los materiales celulares inactivos, como las pestañas y los contenedores, representan aproximadamente el 36% del costo total de los materiales celulares. Estos otros materiales celulares no agregan contenido de energía a la batería. Por lo tanto, la reducción de materiales inactivos reduce el peso y el tamaño de las celdas de la batería sin reducir el contenido de energía. Esto genera interés en mejorar el diseño de la celda con innovaciones como baterías tables como los que se burlan de Tesla.

El costo de la batería también disminuye significativamente con un aumento en la cantidad de células que los fabricantes producen anualmente. A medida que más fábricas de baterías EV entrar en línea, las economías de escala y la mejora adicional en la fabricación y el diseño de baterías deberían conducir a una mayor disminución de los costos.

Camino a la paridad de precios

Predecir una línea de tiempo para la paridad de precios con los vehículos ICE requiere pronosticar una trayectoria futura de los costos de la batería. Estimamos que la reducción en los costos de las materias primas, las mejoras en el rendimiento y el aprendizaje mediante la fabricación conjunta probablemente conduzcan a baterías con costos de empaque inferiores a $ 80 / kWh para 2025.

Asumiendo que las baterías representan una cuarta parte del costo EV, un paquete de batería de 100 kWh a $ 75 por kilovatio hora produce un costo de aproximadamente $ 30,000. Esto debería dar como resultado precios de calcomanías EV que son más bajos que los precios de calcomanías para modelos comparables de automóviles a gasolina.

Acerca de los Autores

Venkat Viswanathan, profesor asociado de ingeniería mecánica, Carnegie Mellon University; Alexander Bills, Ph.D. Candidato en Ingeniería Mecánica, Carnegie Mellon Universityy Shashank Sripad, Ph.D. Candidato en Ingeniería Mecánica, Carnegie Mellon University

Abhinav Misalkar contribuyó a este artículo cuando era un estudiante graduado en la Universidad Carnegie Mellon.La conversación

Este artículo se republica de La conversación bajo una licencia Creative Commons. Leer el articulo original.

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