Batterier: vad är det som driver kostnadssänkningarna?

Sedan Li-jonceller introducerades på marknaden 1991 har kostnaderna sjunkit med drygt 95 procent (i termer av USD/kWh) [1]. Det finns många som försöker förutspå vad kostnaderna blir framåt. Under det senaste året har omEV skrivit en del om kostnaderna för batterier till elfordon: till exempel att kostnadsutvecklingen följer Wrights lag.

Men vad är det som driver kostnadssänkningarna? omEV har gått igenom vad forskare kommit fram till när de gått på djupet för att se vilka faktorer som historiskt varit de avgörande för kostnadsreduktionen. Sammanfattningsvis är det kapaciteten per volymenhet som påverkat mest (närmare 40 procent). Prisutvecklingen för katodmaterialet är den näst viktigaste aspekten (nästan 20 procent). På en högre nivå är det satsningarna på forskning och utveckling som bidragit och inte storskalefördelar inom produktionen som man lätt kan tro. En slutsats är att forskningsfinansiering bör fortgå för att vi inte ska låsa in oss i en given teknik och missa utvecklingen av nya koncept. [2]

Metodval ger olika resultat

Genom åren är det många som försökt sig på att prediktera vad cellkostnaderna kommer vara framöver och olika metoder har använts. En metod är att studera ’top-down’ baserat på ett antal större faktorer så som produktionskapacitet, forskningssatsningar från olika finansiärer eller kostnadsutvecklingen relaterad till den kumulativa produktionen, osv. Den andra metoden är att studera cellerna ’bottom-up’ med olika detaljeringsgrad för de olika produktionsstegen.

Den första modellen är något av en ’black-box-modell’ och ger en relativt dynamisk bild av utvecklingen över tid. Prognoserna behöver dock presenteras med felmarginaler för att vara användbara på en bredare front, men fångar vanligtvis inte upp de underliggande faktorerna som påverkar kostnadsbilden. Den senare modellen blir ofta väldigt statisk och med ett visst årtal i fokus och ger sällan samband mellan olika teknologiska framsteg.

En tredje modell är en dynamiska och detaljerad kvantitativ modell som skalar kostnaderna mot ett visst ’jobb’ (t.ex. USD/kWh eller USD/kW) vid en viss tidpunkt och där kostnadsförändring för en given parameter relateras till dess bidrag till en övergripande kostnadsförändringen mellan två givna tidpunkter och som använts inom andra teknikområden tidigare [3,4]. Modellerna kan då separera bidraget från de olika parametrarna (t.ex. materialval, celldesign och ändringar i produktion) för den totala kostnadsförändringen och fångar upp detaljer, vilka aggregeras till övergripande kostnadsförändringar.

Cellkapaciteten och katoden bidrog mest till kostnadssänkningen

Forskare vid MIT har använt den tredje modellen för att studera Li-joncellers kostnadsutveckling från tidigt 1990-tal till 2015 [2]. De har utgått från 15 000 olika parametrar som finns i öppen litteratur och ’översatt’ all data till 18650-celler (dvs. det format som Tesla länge använt). De har även valt att enbart studera kostnaderna för att tillverka en cell, inte vad den sedan säljs för.

Olika cellkemier och kostnader för de olika materialen inne i cellerna, men även kostnader som inte har med material att göra (t.ex. produktionsutrustning, lönekostnader, energi, service och underhåll, osv.) har tagits med. De har även beaktat elektroddesign med tjocklek och area för elektroderna, samt produktionsrelaterade aspekter såsom produktionsutbyte och fabrikernas storlek. En känslighetsanalys har även inkluderats. Alla kostnader har räknats om till USD baserat på växlingskurser, men även har inflationen tagits med.

Det man fann var att den absolut viktigaste parametern för den kraftiga kostnadssänkningen är kapaciteten för en given volym. Från 1995 till 2010 ökade kapaciteten för en 18650-cell från 1,7 till 3,1 Ah, vilket bidrog till närmare en fjärdedel av kostnadssänkningen. Näst viktigast för kostnadssänkningen är priset för det aktiva katodmaterialet, vilket bidrog med ca. 20 procent. Prisnedgången för det aktiva katodmaterialet kan bero på flera faktorer såsom råvarupris och förbättrade produktionsprocesser, men även att katodmaterialets sammansättning har förändrats och användandet av mindre mängd dyrbara metaller.

Anodmaterialet spelade mindre roll för kostnadsutvecklingen, men däremot var priset för elektrolyten en bidragande faktor med ca 10 procent. Ungefär lika betydande var storleken på cellfabriken. Ungefär 14 procent av kostnadssänkningen var relaterad till fabrikens storlek.

Forskarna har även aggregerat kostnadssänkningarna till en högre nivå. Då kan de se att forskning och utveckling bidrog med mer än hälften av kostnadssänkningen från 1990-talet in på 2010-talet, medan storskalefördelar bidrog med knappt en tredjedel.

Egna kommentarer

Magkänslan är att katodmaterialet är centralt för en Li-joncell (cellspänning, kapacitet och effektprestanda), vilket även visar sig gälla även när det kommer till kostnadsutvecklingen. Att optimera cellen och reducera inaktivt material kommer nog bli än viktigare för kostnadsutvecklingen framöver.

Det som dock inte finns med i studien är återvinningens påverkan på materialpriserna. Kanske vi kan se en uppdatering framöver?

Resultaten skulle kunna ligga till grund för hur forskningssatsningar riktas, hur investeringsbeslut kan tas och olika inriktningar för policy och incitament. Och ska man satsa på snabb kostnadssänkning torde det vara katodmaterial, elektrolyt och celloptimering som verkar ge störst resultat om vi tittar i backspegeln.

[1] Re-examining rates of lithium-ion battery technology improvement and cost decline (länk)

[2] Determinants of lithium-ion battery technology cost decline (länk)

[3] Evaluating the causes of cost reduction in photovoltaic modules (länk)

[4] Sources of Cost Overrun in Nuclear Power Plant Construction Call for a New Approach to Engineering Design (länk)