A Tesla 2020 szeptemberében megtartott saját rendezvényén, a Battery Day keretében a cég vezérigazgatója, Elon Musk azt az ambiciózus célt tűzte ki, hogy három éven belül piacra dob egy olyan elektromos autót, amely mindössze 25 ezer dollárba (aktuális árfolyamon számolva 7,5 millió forintba) fog kerülni egyes piacokon. Annak érdekében, hogy ez a kitűzött ár elérhető legyen, a Teslának több millió forinttal kellene alámennie a jelenlegi legolcsóbb autójának, a Model 3 Standard Range Plus árának. Márpedig a szakértők úgy vélik, ez az összeg kulcsfontosságú tényező lehet azon az úton, hogy az elektromos autók igazán széles körben elterjedjenek. Természetesen azt sem szabad elfelejteni, hogy a “hagyományos” autógyártóknak rengeteg pénzt kell fordítani az elektromos autók fejlesztésére, amely a vételárban is megmutatkozik.

A költségcsökkentéshez új megoldásokat kell találni, hogy lejjebb faragják az előállítás árát. Ezen belül is leginkább az akkumulátorok jelentik a fő problémát, hiszen egy villanyautó árának kicsit több mint a harmadát az akkupakk teszi ki.

Egy belső égésű motoros autó és egy elektromos autó költségszerkezetének összehasonlítása
forrás: renewableenergyworld.com

Elon Musk szerint a fejlesztéseknek, illetve a házon belüli gyártásnak köszönhetően gyorsan felezni lehet ezt a költségtételt, míg a kaliforniai cég legtöbb versenytársa egy lassabb utat vizionál, mire sikerülhet kiegyenlíteni az árkülönbséget a belső égésű motorral szerelt autókhoz viszonyítva.

Miért ilyen drágák az EV-k akkumulátorai?

Főként azon anyagok miatt, amelyeket az előállításukhoz felhasználnak. Az EV modellekben ugyanolyan újratölthető lítium-ion akkumulátorok dolgoznak, mint amilyenek a laptopokban, tabletekben vagy mobiltelefonokban is, csak ezek az egységek számottevően nagyobb méretűek, hogy több energiát legyenek képesek leadni. Minden cella esetében a legdrágább alkotóelem az elektromos töltés eltárolására és felszabadítására szolgáló elektródák egyike, mégpedig a katód. Ennek oka, hogy a katódokban használt anyagok gyakran igen drágák: ilyen a kobalt, a nikkel, a lítium és a mangán. A magas ár pedig abból fakad, hogy bányászni, feldolgozni és nagy tisztaságú vegyületekké kell átalakítani ezeket a fémeket.

Mekkora összegről is van szó tulajdonképpen?

A jelenlegi árakat és az akkucsomagok méreteit figyelembe véve egy elektromos jármű átlagos akkumulátorának átlagos költsége körülbelül 7350 dollár, vagyis nagyságrendileg 2,3 millió forint. Ez még mindig elképesztően magas összeg, ugyanakkor a Bloomberg adatai alapján az elmúlt egy évtized során 88,5 százalékkal váltak olcsóbbá az akkumulátorok. Jelenleg egy kilowattóra energiatárolási kapacitás átlagosan 137 dollárba (kicsit több mint 42 ezer forintba) kerül a gyártóknak, ezért 2010-ben még 1191 dollárt (366 ezer forintot) kellett fizetni. Viszont ez még mindig meglehetősen távol van az elfogadhatónak tartott 100 dolláros küszöbértéktől, ezen a ponton egyenlítődhet ki az elektromos és a belső égésű motoros autók ára. Ez pedig nagy mértékben elősegítené az EV-k tömeges elterjedését.

A lítium-ion akkumulátorok átlagárának alakulása 2010-2020
forrás: BloombergNEF

Hogyan lesznek olcsóbbak az akkumulátorok?

A tendenciákat figyelembe véve nem lehet drasztikus zuhanásra számítani az akksik árának tekintetében, ám a Bloomberg szakemberei úgy jósolják, egy lítium-ion egység esetében egy kilowattóra kapacitás 2024-ben már csak 93 dollárba fog kerülni. Ennek eléréséhez az egyik legkézenfekvőbb mód, ha a komoly anyagi ráfordítást igénylő alkotóelemeket olcsóbbakkal helyettesítik. Ilyen például a kobalt nikkelre cserélése, ennek két igen előnyös hatása is van: a nikkel olcsóbb és több energiát is tárol, ezáltal lehetővé téve a gyártók számára a szükséges mennyiség csökkentését. A kobalt előnye viszont az, hogy nem melegszik túl, azaz nem gyullad meg könnyen, vagyis a gyártóknak biztonsági óvintézkedéseket kellene eszközölniük, ha ezt az anyagot egy másikkal szeretnék helyettesíteni.

A japán Panasonic például azon dolgozik, hogy néhány éven belül kereskedelmi forgalomba hozza a nagyenergiájú akkumulátorok kobaltmentes változatát. Egyes gyártók már gyártanak alacsonyabb energiájú kobaltmentes egységeket, emellett komoly figyelmet kapnak a gyakran bőrönd méretű akkucsomagok is, amelyeken belül sorokban helyezkednek el az egymástól különálló cellák. A dizájn egyszerűbbé, valamint a pakkok szabványossá tétele további jelentős megtakarítást eredményezhet, hiszen nem kellene egyedileg az egyes modellekre szabni az akkupakkokat.

Panasonic akkumulátorcella egy Tesla előtt
forrás: Green Tech Review

Kik a legnagyobb gyártók?

A lítium-ion cellák előállításában ázsia szinte egyeduralkodónak számít, hiszen a jelenleg rendelkezésre álló kapacitás több mint 80 százaléka innen érkezik az EV-kbe. Európában folyamatosan épülnek az új akkumulátorgyárak, és a Wood Mackenzie előrejelzése alapján a megtermelt kilowattórák tekintetében már 2021-ben megelőzheti Észak Amerikát.

Összességében a legnagyobb mennyiséget a kínai Contemporary Amperex Technology (CATL) vállalat szállította 2020-ban, beleértve az elektromos hálózatokhoz és tárolórendszerekhez csatlakoztatott akkumulátorokat is. Némiképp más a felállás és szorosabb a mezőny az autógyártóknak készített akkuk tekintetében, itt a Panasonic állt az élen 2020-ban. Második helyen zárt a CATL, míg a dél-koreai LG Chem Ltd. a piac mintegy negyedét adta az SNE Research adatai szerint. Az Egyesült Államokban a Tesla és a Panasonic közös vállalkozása számít a legnagyobb akkugyártónak. A feltörekvő vállalatok között szerepel a svéd Northvolt AB, amelyet korábbi, magas pozícióban dolgozó Tesla alkalmazottak alapítottak, valamint a kínai a Gotion High-tech Co. is említésre érdemes.

Minden elektromos autó akkumulátora egyforma?

Mióta 1991-ben a Sony Corp. kereskedelmi forgalomba hozta, azóta az újratölthető elemek/akksik piacát a lítium-ion technológia uralja. Ez idő alatt jelentős mértékű javulást sikerült elérni az energiatárolók teljesítménye és élettartama szempontjából, valamint sikerült csökkenteni a súlyukon, és versenyképesebbé tudták tenni az árukat is, hogy a hordozható kamerákat követően már nem csak személyautókban, de buszok vagy éppen kompok esetében is használják őket. A lítium-ion cellák alapvetően ugyanazokkal az alapkomponensekkel rendelkeznek, mint bármelyik akkumulátor: két elektróda – egy anód és egy katód –, valamint egy elektrolit, amely segít a töltést átvinni a két elektróda között. Mégis jelentős különbségek mutatkoznak a gyártásukhoz felhasznált anyagokban, ez pedig kulcsfontosságú abból a szempontból, hogy mennyi energiát képesek eltárolni. A hálózati energiatároló rendszerek vagy a rövid távolságok megtételére alkalmas járművek esetében olcsóbb és kevésbé hatékony katódkémiai anyagokat alkalmaznak, leggyakrabban lítium, vas és foszfát keverékét. Ha nagyobb teljesítményű járművekről van szó, az autógyártók az olyan, nagyobb energiasűrűséget lehetővé tevő anyagokat részesítik előnyben, mint például a lítium-nikkel-mangán-kobalt-oxid vagy a lítium-nikkel-kobalt-alumínium-oxid. A további fejlesztések célkeresztjében egyértelműen a minél nagyobb hatótávolság elérése és a töltési idő csökkentése áll. Ugyanakkor az olyan kulcsfontosságú kérdések mellett sem szabad szó nélkül elmenni, mint a tűzbiztonság, hiszen az utóbbi időben számos visszahívás történt abból kifolyólag, hogy egyes modellek mintegy spontán kigyulladtak.

Kiszerelt akkucsomag egy BMW i3 mellett
forrás: C&EN

Hogyan lehet tovább csökkenteni a költségeket?

Az akkumulátorok költségcsökkentése mellett járható útnak tűnik magának a gyártási folyamatnak az optimalizálása, valamint az autó elkészítéséhez szükséges berendezések újragondolása. Nemrég készült el a Tesla számára a valaha gyártott legnagyobb öntödei présgép, a Giga Press, amelynek köszönhetően az autó komplett hátsó alvázrészét egyetlen darabból lehet majd megformálni. Ettől gyorsabb lesz az összeszerelési folyamat, és csökken a hibalehetőségek száma is. A Giga Press révén a kaliforniai cég járműveinek platformja a jövőben három fő darabból áll majd. A magasnyomású öntőprés felel az alváz első és hátsó részének gyártásáért, amelyek egy-egy darabból fognak elkészülni. Ezt a két elemet fogja összekötni az immár a vázszerkezet részét képező akkumulátorcsomag.

Az akkupakk vázszerkezetbe integrálásával egyúttal a felhasznált anyagok mennyisége is csökken. Az elektromos motorok esetében – amelyek egy EV költségeinek nagyságrendileg egytizedét teszik ki – az elkövetkező években körülbelül 5 százalékos árcsökkenésre lehet számítani az egyre kifinomultabb gyártástechnológiának, valamint az akkumulátor, a motor és a kerekek közötti energiaátvitelt biztosító elektronikai megoldások folyamatos fejlődésének köszönhetően – vélik a Bloomberg szakértői. Ugyanakkor egyértelműen látszik, hogy az EV-k és a hagyományos, benzines és dízel autók között tapasztalható árkülönbség leginkább az akkumulátoroknak köszönhető. 

A Tesla vázszerkezet részét képező akkucsomagjának látványterve
forrás: Electrek

Kína az élen?

Igen, szinte minden tekintetben az ázsiai ország diktálja a tempót a lítium-ion akkumulátorok területén, bár azért akad néhány igen fontos kivétel. Kína felelős a kémiai finomítás mintegy 80 százalékáért, amelynek során a lítiumot, a kobaltot és egyéb nyersanyagokat az akkumulátorok alkotórészeivé alakítják át, igaz, ezen a kulcsfontosságú fémek bányászatának jelentős része Ausztráliában, a Kongói Demokratikus Köztársaságban és Chilében történik. Szintén Kína uralja az akkumulátor-alkatrészek gyártásának folyamatát, beleértve a katódok, anódok, elektrolit oldatok és szeparátorok előállítását.

Ugyanakkor Kínának egyelőre komoly nehézségei akadnak a legmodernebb félvezetők tervezésével, valamint a szoftverekkel kapcsolatban is, márpedig ezek egyre kiemeltebb jelentőséggel rendelkeznek, amikor a járművek hálózatba kapcsolásáról, illetve a teljesen önvezető autókról van szó. Ráadásul az autóiparban felhasznált mikrocsipek mindössze 5 százaléka készül az ázsiai országban – derül ki a China EV100 agytröszt adataiból.

Például az úgynevezett szigeteltkapus bipoláris tranzisztorok (Insulated-Gate Bipolar Transistor = IGBT) gyártásában a legkiemelkedőbb szereplők közé tartozik a német Infineon Technologies AG és a Semikron AG, valamint a japán Mitsubishi Motors Corp., a Fuji Electric Co. és a Toshiba Corp. is, de egyetlen kínai cég sem jeleskedik ezen a területen. Ezek a nagy hatékonyságú kapcsolók csökkentik az energiaveszteséget, ezáltal javítják az elektromos autók megbízhatóságát.

Elektromos autó akkumulátorcellái gyártás közben
forrás: Electek

A költségek jelentik az egyetlen leküzdendő akadályt?

Továbbra is problémát okoz a hatótáv kérdése, bár a legkifinomultabb elektromos autók akár 600-650 kilométert (vagy többet) is képesek megtenni egyetlen feltöltéssel, ezek rendszerint igen drága modellek. A kedvezőbb árfekvésű villanyautók esetében a felhasználóknak továbbra is szembesülniük kell az alacsonyabb hatótávból fakadó úgynevezett „hatótáv parával”, vagyis az autósok azon félelmével, hogy kifogynak a töltésből, és ott ragadnak valahol az út szélén. Az autógyártók – ezen a téren a Tesla jeleskedik leginkább – és az egyes országok kormányai is közvetlenül bekapcsolódtak az töltési infrastruktúra kiépítésébe, ezáltal kívánják enyhíteni a tulajdonosok aggodalmát, hogy menet közben nem találnak majd töltési lehetőséget.

Jelen pillanatban szinte a világ összes országa gőzerővel töltőállomásokat telepít. Több millió töltőoszlopot létesítenek autópályák mellett vagy bevásárlóközpontok parkolóiban, ám ezek eloszlása nem egyenletes: az Egyesült Államokban üzemelő nyilvános töltők több mint egynegyede egyetlen államban, Kaliforniában található, ráadásul – akárcsak a mobiltelefonok esetében – nem minden töltő kompatibilis az összes elektromos autóval. A statisztikák azonban azt mutatják, hogy a legtöbb töltést az otthoni hálózatról hajtják végre az autósok, ami egy újabb költségtételt jelenthet, különösen, ha az egyszerűbb és kényelmesebb töltés érdekében egy fix fali töltőt is kerül a garázsba. Bár ez csak egy szabadon választható opció, hiszen a konnektorról is feltölthető az autó az éjszaka folyamán.

Elektromos autó otthoni töltőre csatlakoztatva
forrás: Dapp Life

Mit tartogat a jövő?

Szakértők úgy vélik, hogy számos, ma még csak laboratóriumi körülmények között létező kísérleti megoldás kerül majd sorozatgyártásba, és ezek fognak elterjedni széles körben az évtized folyamán. A kaliforniai székhelyű Sila Nanotechnologies Inc. például az akkumulátorcellák anódján található grafitot szilíciumra cseréli annak érdekében, hogy a cellában elraktározott töltés legalább 20 százalékkal tovább tartson. A Toyota és az olyan amerikai startupok, mint QuantumScape azon versengenek egymással, hogy melyiküknek sikerül előbb kereskedelmi forgalomba hoznia a szilárdtest-akkumulátorokat (Solid State Battery). Teljesen átalakítják a cella architektúráját, és kicserélik az energia átvitelét lehetővé tevő, gyúlékony elektrolit oldatot kerámiával, üveggel vagy különféle polimerekkel.

Ez a technológia a lítium-ion akkumulátoroknál kétszer, két és félszer nagyobb hatótávolságot, és akár ötperces újratöltési időt tesz lehetővé, továbbá biztonságosabb és olcsóbb is. A hírek szerint a CATL készen áll a nemes egyszerűséggel csak „million mile battery”, vagyis egymillió mérföldes (1,6 millió kilométeres) élettartammal rendelkező akkumulátor elkészítésére. Csak összehasonlításként, a gyártók ma átlagosan 250 ezer kilométer vagy 8 év garanciát vállalnak az akkumulátoraikra, vagyis egy akkupakk több autót is kiszolgálhat, esetleg több különféle feladatra is felhasználható. Miután egy akkumulátor kapacitása egy bizonyos szint alá csökken, és már nem alkalmas egy EV meghajtására, egy fejlődő ágazatban kezd új életet, ahol még hosszú évekig használható, mint másodlagos energiatároló.