锂离子电池电池GWh级生产的成本建模

文摘 2025-01-06 07:30 比利时

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摘要：电池生产成本模型对于评估不同电池几何形状、化学成分和生产工艺的成本竞争力至关重要。为了满足这一需求，作者提出了一种详细的自下而上的方法，用于计算各种电池生产方法的全部成本、边际成本和平准化成本。作者的方法确保了不同研究领域和行业之间的可比性，反映了资本成本和估算利息成本。作者通过对四种不同化学成分的方型PHEV2硬壳电池和圆柱形4680电池的案例研究来展示该模型。作者公开提供的基于浏览器的模块化工具包含了从文献和专家访谈中获得的最新参数。这项工作使研究人员能够快速评估新电池生产工艺和技术对生产成本的影响，最终实现降低电气化交通成本的目标。

前言

车辆电气化是实现可持续交通的最受欢迎的措施之一。然而，电动化取决于电池技术的发展和经济承受能力。因此，电池技术的成本在很大程度上影响着电动汽车的市场成功率和采用率。尽管电池技术不断进步，但高昂的电池成本仍然是大多数电动车型实现经济盈利的主要障碍。然而，用于计算电池成本的成本模型往往缺乏透明度和标准化，可能无法充分考虑电池技术的差异。为了应对这些挑战，本文介绍了一种最新的全成本、边际成本和平准化成本建模方法，从而能够有效评估不同技术的电池生产成本。根据所用方法和电池技术的不同，研究和行业对未来电池价格的成本要求也各不相同。特斯拉在2020年9月的首个电池日宣布，他们计划将电池组的每千瓦时成本比目前的技术水平降低约56%，从而使电池成本介于 48美元/千瓦时和53美元/千瓦时之间。假设电池芯成本占电池组成本的 75%，则最终电池芯成本将介于36美元/kWh至40 美元/kWh之间。这些成本假设遭到了老牌原始设备制造商（OEM）的质疑，因为只有通过尚未看到的重大技术和材料进步，才能达到如此低的成本水平。因此，了解需要采取哪些措施才能大幅降低电池成本至关重要。在此，成本模型在评估新材料和新工艺的潜力方面发挥着重要作用。由于目前的成本模型缺乏标准化，原始设备制造商和利益相关者可能会误解预测，甚至混淆边际成本和全成本的衡量标准。

阿贡国家实验室电池性能与成本模型（BatPac）是最常用的电池成本估算工具之一，也可能是最接近”标准"的模型。该模型可在预先确定的工厂布局和生产流程中，根据指定产量计算不同化学电池的电池芯和电池组成本。该模型经常被不同作者使用、改编或扩展。该模型有一些局限性，包括忽略了能源成本，缺少废品率等制造业特定参数，而这些参数对于评估提高单个生产流程生产率的整体效果至关重要。此外，该模型不能灵活定制工艺链，以适应各种电池设计，如袋装电池、方壳电池或圆柱电池。因此，在比较和优化不同的电池设计和生产工艺时，该工具的适用性受到了限制。

本文是对2015年发表的模型的进一步全面发展，可计算和评估各种生产技术的成本潜力。这样就可以比较不同的生产方法，了解每个设计决策如何影响电池生产成本。在此，作者展示了该模型在两种当代生产概念上的应用：方形硬壳电池（PHEV2）和圆柱电池（4680）。作者估算了四种不同电池化学组合的全部、平准化和边际电池成本，包括结合石墨或硅混合石墨负极的富镍阴极，以及结合石墨负极的磷酸铁锂阴极。作者透明的成本计算模型使研究人员和业界能够对电池技术进行标准化、透明化的比较和评估。

结果与讨论

该模型包括六个不同阶段（参见图 1）：(1)和(2)确定单元设计、属性、工艺链以及总产量。(3) 根据单个废品率计算每个选定工序所需的材料吞吐量。(4) 确定资源需求。(5) 计算各工序成本，然后在 (6) 中计算完全成本、边际成本和平准成本。

作者对Schuenemann的原理模型结构进行了调整，并补充了更详细的成本计算，包括通过文献综述和专家访谈收集的当前电池格式和工艺参数。该模型可通过网络界面免费使用。下面，作者将简要介绍案例研究中的假定电池和生产设计。方法包括对电池设计和生产方案的详细描述，包括所选的工艺技术。补充信息包含模型参数和基本公式的详细概述。在这里，补充表A1-A6提供了有关电池设计和材料的更多信息。补充表A8-A32概括了每个工艺步骤的确切值和假设。

案例研究中的电池设计

由于数据的可用性和与汽车行业的相关性，作者研究了两种电池类型：现代尺寸的圆柱形电池（4680）和带有扁平电池绕组的标准方形硬壳电池（PHEV2），这两种电池都是特斯拉使用的（参见图 2）。

作者比较了四种与行业相关的电池化学成分，以及最近电池拆解分析得出的电极参。四种电池配置中的三种使用富含镍的LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 (NMC811)阴极活性材料和石墨 (G)，另外两种在阳极侧使用硅混合（3 wt% 和 5 wt%）石墨。这两种电池格式都考虑了这些电池化学成分。第四种电池配置只考虑方壳电池形式，采用磷酸铁锂（LFP）阴极，并将石墨作为阳极活性材料。作者只考虑方壳电池形式中的LFP，旨在符合目前汽车应用中的电池配置。作者假定粘合剂、导电添加剂和溶剂等非活性电极成分以及电解液和隔膜等非活性电池成分采用通用材料。表1概述了电极特性输入，表2列出了电池的计算目标值。对于各个电池组件的材料成本，作者收集了材料价格研究39 中的价格估算值以及其他成本模型7,30中的数值（参见补充表A6）。

案例研究中的生产方案

案例研究假设年产量为10GWh。工厂位于德国，每年运行360天，三班倒，每班8小时（包括1小时休息时间）。模型工厂的过剩产能为25%，为潜在的生产中断提供缓冲。这使得机器的理论产量提高了25%。表3列出了案例研究中使用的一般生产参数。

锂电池的制造是一系列相互关联的连续工艺步骤。本案例研究的工艺链设计是在咨询专家后选定的，其示意图如图3所示。图中既显示了工艺步骤中实际材料和副产品的流动顺序（浅蓝色路径），也显示了包括产生的废料在内的材料流动的逆向计算（深蓝色路径）。

电极生产包括批量混合过程、连续涂覆和干燥，以及随后的压延。除了涂层宽度等细微差别外，两种类型电池的这些工艺步骤模型完全相同。由于电极和电池尺寸的不同，接下来的电极分切工序也各不相同。最后，切割好的电极线圈在转移到干燥室之前要进行后干燥。两种电池形式的卷绕工艺不同，方形PHEV2电池采用扁平卷绕的果冻卷，而不是圆柱形4680电池的圆形卷绕。如图3所示，两种电池设计在工艺顺序上的主要区别在于接触步骤。对于PHEV2来说，集流体是在插入和盖子关闭之前接触的，而对于4680来说，这一步骤是在插入之后进行的。两种电池的工艺链其余部分相同。通过外壳顶部的开口注入电解液和润湿步骤后，电池在形成过程中充电和放电，在阳极表面形成SEI。与此同时，电池通过填充孔进行脱气。形成和脱气完成后，电池最终被关闭并在老化步骤中静置，以跟踪自放电行为。之后，在包装和运输电池之前，生产线末端测试将作为质量保证。

电池生产成本

电池生产成本可通过全成本、平准化成本和边际成本来衡量。有几项研究分析了全部成本，但没有明确界定其组成部分。例如，大多数作者都忽略了资本成本和税收。出于可比性考虑，而且其他作者使用的计算方法并不一致，本文在计算完全成本时省略了这两个因素。

平准化成本是一种更全面、定义更清晰的指标。它描述了投资者为实现零净现值（NPV）而销售产品所需的平均价格。这包括支付所有运营费用、偿还债务、初始项目费用的估算资本成本，以及投资者可接受的回报。本文沿用了Reichelstein和Rohlfing-Bastian对平准化成本的正式定义，但对计算逻辑进行了调整，将定期更换机器的经常性投资包括在内。

另一个重要的成本指标是边际单位成本，它反映了生产另一单位产出的成本。边际成本用于短期生产决策。就电池单元而言，边际成本包括生产每千瓦时电池容量所需的所有材料、能源和直接劳动力，但忽略了生产设施投资等固定成本。关于电池生产成本极低的报道有可能指的是边际成本而非全部成本。本文报告了所有三种衡量标准，以确保可比性。

案例研究涵盖14种不同的配置，包括两种电池形式、四种电池化学成分以及回收废料的选项。图4显示了两种电池形式和每种配置的完全成本、平准化成本和边际成本。计算基于图3所示的生产流程。

在分析全部成本及其成本份额时，有几种影响变得明显或需要考虑：

(1) 圆柱形4680电池和方形扁平缠绕PHEV2电池设计的成本仅相差不到 1%。因此，从成本角度来看，两种电池设计都具有竞争力。这种微小的差异不应被理解为一种电池设计更优越，因为单一的输入参数可以抵消这些差异。

(2) 与基于NMC811的电池相比，使用LFP作为阴极活性材料的电池成本高出约4美元/kWh。这与最近的市场分析相矛盾，但可以用所选择的电极设计来解释。由于阴极的面积负载是根据电池拆解分析中的工业电池而设定的，因此与NMC811阴极相比，LFP阴极的负载较低（参见表1）。这导致无源元件的利用率更高，能量密度更低。此外，还需要生产更多的电极材料和更多的电池。因此，对生产设备的需求增加，成本也随之增加。如果将LFP的面积负载设定为与NMC811相同，则全部成本约为91美元/kWh，这代表了采用LFP化学成分的电池的预期成本优势。由于材料占电池总成本的78%左右（LFP化学成分）和82%以上（NMC811化学成分），因此对新材料进行鉴定具有降低成本的巨大潜力。同样，通过降低废品率和有效回收废品来降低材料成本显然会对总成本产生重大影响。这强调了扩大高效回收工艺的必要性。

(4) 由于硅具有更高的比容量（参见表2），因此在阳极中掺入硅可以提高 PHEV2和 680电池的能量密度。由于含硅负极的孔隙率较高，这种效果略有减弱。通过减少被动材料的比例，可以降低成本。虽然硅的加入会导致 SEI损耗增加，对昂贵的阴极活性材料的需求也会增加，但这两种效应会相互抵消，因此随着硅含量的增加，成本只会略有降低。

(5) 循环过程中的材料膨胀会导致含硅阳极的循环寿命加速老化。这种效应导致含硅电池在循环寿命方面的成本增加，从而抵消了成本略微降低的优势。根据目前电动汽车200000公里的续航里程要求，单次续航200公里需要约1000次循环寿命，而随着能量密度的增加，循环寿命会缩短。因此，特别是在二次寿命方案中，循环寿命对电池成本的影响变得至关重要。同样的影响也适用于采用LFP阴极的电池，因为这些电池的循环寿命更长，从而降低了总拥有成本。

图5着重显示了所研究电池类型在投资和空间需求分布方面的显著差异，这里以石墨基变体为例。比较电池形式（图 5，左）发现，两种电池的投资分布相似，但4680电池的投资和空间需求总体较高。这是因为需要更高的电池吞吐量才能满足GWh的需求。由于假设两种电池类型的机器每个电池的吞吐量相同，因此4680电池需要更多的机器。尽管对机器参数采用了缩放方法（参见补充说明 1，F 部分），但这导致了更高的投资和空间需求。不过，如果将这些结果与以美元/千瓦时为单位的全部成本进行比较，4680 电池的较高能量密度可以补偿较高的投资和空间需求。在阴极活性材料的影响方面，可以看出显著的差异（图 5，右）。由于基于LFP的电池能量密度较低，因此必须生产更多的电池，这直接影响到所需的机器数量（参见补充图A3）。因此，额外的生产设备需要更多的空间，导致建筑和生产环境的成本增加。一个意想不到的事实强调了这一点：尽管LFP的电极生产不在干燥室中进行，但与NMC811电池相比，LFP的干燥室总面积更大。

成本影响和敏感性

根据目前的文献资料，图6显示了所获结果与之前文献报道值之间的比较。此外，还对比了NMC和LFP电池化学成分的成本。很明显，锂离子电池的计算成本在过去几年中逐渐降低。即使在最近的出版物中，由于许多敏感的输入参数，成本也有很大差异。成本范围的大小取决于所选的输入参数。作者的案例研究显示成本范围相对较窄，而敏感性分析则显示出更大的范围，与文献不相上下（参见图 7）。

与一些市场分析相反，作者的研究和一些最新出版物没有发现基于NMC和基于LFP的细胞化学计算成本之间有明显差异。关于细胞的成本分配，与较早的出版物相比，本研究提出了更高的材料成本份额。造成这种情况的主要原因是在生产层面上进行了大量优化，特别是工艺速度，这在之前的一项研究中也有所体现。相比之下，材料层面的成本变化并不明显，因此材料成本占比较高。特斯拉等原始设备制造商试图在内部建立阴极活性材料的组件制造能力，这属于电池中最昂贵的组件。为此，他们的目标是在生产基地附近建立自己的锂储备，以确保低价原材料和组件的供应。在这方面，运营自己的回收工厂可进一步促进供应和价格优势。由于原始设备制造商对这些措施的经济效益高度保密，因此在计算成本时很难考虑这些方面。由于本文中的材料价格来自材料价格研究和其他成本模型，因此潜在的规模经济可能也不在本文考虑之列。

为了分析特定参数对全部成本的影响，对变量进行了敏感性分析。为此，选定的单个参数在基准值的-50%和+50%之间变化。图7总结了敏感性分析的结果，说明了参数变化对基于NMC811的电池（上图）和基于LFP的PHEV2电池（下图）的全部成本的影响。在材料相关参数方面，电池中成本占比最高的三种材料的价格均有变化。由于材料成本占比高，阴极活性材料的价格显然是全面降低成本的最相关参数。例如，将NMC811的价格降低一半，可使电池的整体成本降低25%（LFP的成本降低约13%）。关于基于电池的参数，作者研究了不可逆化成损失、阴极活性材料负载和阴极孔隙率对成本的影响。值得注意的是，通过涂层厚度控制阴极负载量的选择对电池成本有相当大的影响，这也证实了之前的成本分析。因此，实现高阴极装载量可以大大节约成本。作为基于工艺的参数，作者考虑了在生产成本中占比最大的三个工艺步骤的投资成本，即涂层机、化成塔和接触机的成本。分析表明，由于材料成本所占比例较高，投资成本在全部成本中所占比例较小。所选的基于选址的参数包括能源成本、物业成本和专家的劳动力成本，所有这些都是影响工厂选址决策过程的关键因素。可以看出，这些与选址相关的参数对全部成本的影响并不大。在物业成本方面，几乎没有发现对电池成本的影响，这可以用所选择的物业和建筑折旧期（50年）来解释。因此，在对工厂选址进行经济评估时，以方案为基础、改变整套参数的分析方法更为有效。

敏感性分析表明，各种参数的影响很大。这样就可以利用该模型进行进一步的案例研究，从而确定干涂层等工艺进步所能节省的成本。不过，作者研究的敏感性分析中的边际成本和最佳案例都没有达到媒体上流传的极低电池成本水平。作者很清楚这种差异，并假定这些计算考虑了其他节约成本的方面，如政府补贴。

结论

本文介绍了一种电池成本计算模型，该模型可通过网络界面公开使用，用户可通过操作大量参数来定制电池化学成分和生产工艺。作者对方形 PHEV2硬壳电池和圆柱形4680电池的生产成本进行了案例研究，以透明的方式计算边际成本、全成本和平准化成本。由于电池成本核算缺乏标准，以往的成本计算方法在计算成本和成本分类方面存在很大差异。通过讨论不同电池成本的影响，作者的研究有助于理解锂离子电池的成本结构，并证实了模型的适用性。根据作者的计算，作者还发现材料价格是一个关键的成本因素，在整个电池成本中占主要份额。此外，作者还发现，作者计算出的电池价格仍然远高于媒体传言的价格，这表明还存在其他降低价格的因素。

参考文献

https://www.nature.com/articles/s44172-024-00306-0

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