تولید سلول باتری در مقیاس گیگاوات ساعت و هزینه های آن

گیگافکتوری تولید باتری

مدل‌های تخمین هزینه تولید باتری برای ارزیابی رقابت‌پذیری اقتصادی انواع مختلف طراحی‌های باتری، شیمی‌ها، و فرآیندهای تولید سلول‌های باتری ضروری هستند. این کار به پژوهشگران امکان می‌دهد تا به سرعت تأثیر هزینه‌های تولید را برای فرآیندها و فناوری‌های جدید باتری ارزیابی کنند و در نهایت به هدف کاهش هزینه‌های حمل و نقل برقی کمک کنند.

یکی از محبوب‌ترین اقدامات برای دستیابی به تحرک پایدار، برقی‌سازی وسایل نقلیه است. با این حال، برقی‌سازی به توسعه و مقرون‌به‌صرفه بودن فناوری باتری بستگی دارد. بنابراین، هزینه فناوری باتری به‌طور قابل توجهی بر موفقیت بازار و پذیرش خودروهای برقی تأثیر می‌گذارد. علیرغم پیشرفت در فناوری باتری، هزینه بالای باتری‌ها همچنان مانعی کلیدی برای سودآوری اقتصادی بیشتر مدل‌های خودروهای برقی است. با این حال، مدل‌های هزینه‌ای که برای محاسبه هزینه باتری‌ها استفاده می‌شوند، اغلب شفافیت و استانداردسازی کافی ندارند و ممکن است تفاوت‌های فناوری‌های باتری را به درستی لحاظ نکنند.

مدل های تخمین هزینه

یکی از ابزارهای پرکاربرد برای تخمین هزینه باتری، مدل عملکرد و هزینه باتری آزمایشگاه ملی آرگون (BatPac) است. این مدل هزینه‌های سلول و بسته باتری را برای شیمی‌های مختلف سلول تحت حجم تولید مشخصی در یک چیدمان کارخانه و فرآیند تولید از پیش تعریف‌شده محاسبه می‌کند. این مدل به طور مکرر توسط نویسندگان مختلف استفاده، تطبیق یا گسترش یافته است. با این حال، مدل محدودیت‌هایی دارد، از جمله نادیده گرفتن هزینه‌های انرژی و عدم وجود پارامترهای خاص تولید، مانند نرخ ضایعات، که برای ارزیابی تأثیر کلی بهبود بهره‌وری فرآیندهای تولید ضروری هستند. علاوه بر این، مدل انعطاف‌پذیری لازم برای سفارشی‌سازی زنجیره فرآیند برای انواع طراحی‌های سلول مانند کیسه‌ای، پریزماتیک یا استوانه‌ای را فراهم نمی‌کند. در نتیجه، قابلیت استفاده این ابزار در مقایسه و بهینه‌سازی طراحی‌ها و فرآیندهای مختلف تولید سلول محدود است.

مطالعات دیگر از مدل‌های هزینه فرآیند محور (PBCM) مشابه BatPac استفاده می‌کنند، اما دقت محاسبه هزینه تولید را با لحاظ کردن هزینه نصب، زمان‌های توقف ماشین‌آلات، زمان‌های تحویل، و نرخ ضایعات جداگانه برای هر مرحله تولید افزایش داده‌اند. اکثر محققان، مدل‌های خود را برای پاسخگویی به موضوعات پژوهشی خاص (مانند مقایسه سلول‌های استوانه‌ای و پریزماتیک) سفارشی کرده‌اند، اما مدل‌های خود را به صورت عمومی منتشر نکرده‌اند. در نتیجه، این مدل‌ها به عنوان ابزارهای عمومی برای تخمین هزینه‌های انواع سلول‌های باتری و روش‌های تولید به راحتی قابل استفاده نیستند.

این مقاله هزینه‌های کامل، تسطیح‌شده و حاشیه‌ای سلول را برای چهار ترکیب شیمیایی مختلف سلول، از جمله کاتد غنی از نیکل همراه با آند گرافیتی یا آند گرافیت آمیخته با سیلیکون، و همچنین کاتد مبتنی بر فسفات آهن لیتیوم با آند گرافیتی تخمین می‌زند.

طراحی سلول

این مطالعه حجم تولید سالانه 10 گیگاوات ساعت را فرض می‌کند. کارخانه در آلمان واقع شده و 360 روز در سال با عملیات سه‌شیفتی 8 ساعته فعالیت می‌کند. ظرفیت اضافی 25% برای این کارخانه مدل‌سازی شده است، که به عنوان یک حاشیه اطمینان برای جلوگیری از اختلالات احتمالی در تولید عمل می‌کند. این تنظیمات به ماشین‌آلات اجازه می‌دهد تا 25% جریان تولید نظری بیشتری را ارائه دهند.

تولید الکترود شامل مراحل مخلوط‌سازی مواد، پوشش و خشک کردن پیوسته، و پرس‌کاری است. مراحل بعدی برش الکترود با توجه به تفاوت در ابعاد الکترود و سلول متفاوت است. در نهایت، کویل‌های برش‌خورده الکترود پس از خشک‌کردن به اتاق خشک منتقل می‌شوند.

پس از پر کردن الکترولیت از طریق یک حفره در بالای بدنه و یک مرحله مرطوب‌سازی، سلول‌ها در طول فرآیند شکل‌دهی شارژ و دشارژ می‌شوند که لایه SEI روی سطح آند را ایجاد می‌کند. به طور همزمان، سلول‌ها از طریق این حفره، گازگیری می‌شوند. پس از اتمام شکل‌دهی و گازگیری، سلول‌ها در مرحله شارژ اولیه برای بررسی رفتار تخلیه خودکار قرار می‌گیرند. در نهایت، تست انتهایی به عنوان تضمین کیفیت پیش از بسته‌بندی و ارسال سلول‌ها انجام می‌شود.

هزینه تولید سلول

این هزینه‌ها میانگین قیمتی را نشان می‌دهند که یک سرمایه‌گذار برای فروش محصول نیاز دارد تا به ارزش فعلی خالص (NPV) صفر بدون در نظر گرفتن سود برسد. این شامل تمام هزینه‌های عملیاتی، پرداخت بدهی، و هزینه‌های سرمایه‌ی فرضی برای هزینه‌های اولیه پروژه، به همراه بازدهی قابل قبول برای سرمایه‌گذار است.

یک معیار مهم دیگر، هزینه‌هایی است که نشان‌دهنده برای ایجاد یک واحد اضافی و افزایش تولید مورد نیاز است. این معیار برای تصمیم‌گیری‌های کوتاه‌مدت تولید استفاده می‌شود. در مورد سلول‌های باتری، هزینه نهایی شامل تمام مواد، انرژی، و نیروی کار مستقیم لازم برای تولید یک کیلووات‌ساعت ظرفیت باتری است، اما هزینه‌های ثابت مانند سرمایه‌گذاری در تأسیسات تولید را نادیده می‌گیرد. ممکن است گزارش‌هایی که هزینه تولید باتری بسیار پایینی را نشان می‌دهند، به جای هزینه کامل به هزینه نهایی اشاره داشته باشند.

هزینه

هزینه تمام شده سلول باتری بر حسب نوع ماده کاتدی در ده سال اخیر (منبع)

هنگام تحلیل هزینه کامل و سهم‌های هزینه‌ای آن، چندین اثر آشکار یا نیازمند توجه هستند:

مقایسه هزینه سلول‌ها

   هزینه‌های سلول استوانه‌ای 4680 و طراحی سلول منشوری تخت (PHEV2) کمتر از 1٪ تفاوت دارند. از این رو، هر دو طراحی سلول از نظر هزینه رقابتی هستند. این تفاوت جزئی نباید به‌عنوان برتری یکی از طراحی‌ها تفسیر شود، زیرا تغییر در هر یک از پارامترهای ورودی می‌تواند این تفاوت‌ها را جبران کند.

تأثیر شیمی کاتد LFP 

   سلول‌های با کاتد LFP حدود 4 دلار بر کیلووات‌ساعت هزینه بیشتری نسبت به سلول‌های مبتنی بر NMC811 دارند. این مسئله با تحلیل‌های اخیر بازار تناقض دارد، اما می‌توان آن را با طراحی الکترود انتخاب شده توضیح داد. بارگذاری سطحی کاتد در سلول‌های صنعتی بررسی شده در تحلیل‌های تخریب سلول (teardown) برای LFP  کمتر از NMC811 تعیین شده است. این امر باعث استفاده بیشتر از اجزای غیرفعال و کاهش چگالی انرژی می‌شود. همچنین، نیاز به تولید مواد و سلول‌های بیشتر باعث افزایش تقاضا برای تجهیزات تولیدی و در نتیجه افزایش هزینه‌ها می‌شود. اگر بارگذاری سطحی LFP مانند NMC811 تعیین شود، هزینه کامل به حدود 91 دلار بر کیلووات‌ساعت کاهش می‌یابد که نشان‌دهنده مزیت هزینه‌ای سلول‌های با شیمی LFP است.

اهمیت مواد جدید

   استفاده از مواد جدید می‌تواند هزینه‌ها را به‌شدت کاهش دهد، زیرا مواد حدود 78٪ برای شیمی  لیتیوم آهن فسفات (LFP) و بیش از 82٪ برای شیمی نیکل-کبالت-منگنز (NCM811) از کل هزینه سلول‌ها را تشکیل می‌دهند. به همین ترتیب، کاهش نرخ ضایعات و بازیابی کارآمد مواد ضایعاتی می‌تواند تأثیر چشمگیری بر هزینه‌های کلی داشته باشد. این امر نیاز به گسترش فرآیندهای بازیافت کارآمد را برجسته می‌کند.

اثر ترکیب سیلیکون در آند

   افزودن سیلیکون به آند باعث افزایش چگالی انرژی هر دو نوع سلول‌های پریزماتیک و استوانه‌ای 4680 می‌شود. زیرا سیلیکون دارای ظرفیت ویژه بیشتری است. این اثر به دلیل تخلخل بیشتر مورد نیاز برای آند‌های حاوی سیلیکون کمی کاهش می‌یابد. کاهش سهم مواد غیرفعال به کاهش هزینه‌ها کمک می‌کند. اگرچه افزودن سیلیکون باعث افزایش تقاضای برای مواد فعال کاتد گران‌تر می‌شود، اما این دو اثر یکدیگر را خنثی کرده و تنها منجر به کاهش جزئی هزینه با افزایش محتوای سیلیکون می‌شود.

اثرات طول عمر چرخه‌ای

   انبساط مواد در طول چرخه‌های شارژ/تخلیه باعث تسریع پیری طول عمر چرخه‌ای در آندهای حاوی سیلیکون می‌شود. این اثر منجر به افزایش هزینه برای سلول‌های حاوی سیلیکون از نظر طول عمر چرخه‌ای می‌شود و ممکن است مزیت کاهش جزئی هزینه را خنثی کند. با توجه به الزامات فعلی خودروهای برقی برای مسافت 200,000 کیلومتر، طول عمری حدود 1000 چرخه برای یک محدوده 200 کیلومتری مورد نیاز است که با افزایش چگالی انرژی، طول عمر مورد نیاز کاهش می‌یابد. بنابراین، به‌ویژه برای سناریوهای شامل کاربردهای ثانویه (second-life)، تأثیر طول عمر چرخه‌ای بر هزینه سلول‌ها بسیار مهم می‌شود. همین اثر در مورد سلول‌های با کاتدهای مبتنی بر LFP نیز صدق می‌کند، زیرا این سلول‌ها طول عمر چرخه‌ای بیشتری را فراهم می‌کنند که منجر به کاهش کل هزینه مالکیت می‌شود.

برای ارجاع به منبع مقاله، کلیک نمایید.

ارسال دیدگاه