Schwefel-Lithium-Akkus Wie Theion die Elektromobilität und Luftfahrt verändern will

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Die monokline Gamma-Kristallstruktur von Schwefel soll die Grenzen der bestehenden Batterietechnologien verschieben. Das verspricht das Berliner Start-up-Unternehmen Theion. Dadurch sollen sowohl der Straßen- als auch der Luftverkehr effizienter und nachhaltiger werden.

Rushhour, Stau und im ungünstigsten Fall noch Verkehrsunfälle: Das steigende Verkehrsaufkommen auf den Straßen bringt auch viele Probleme mit sich. Abhilfe soll eine emissionsfreie, CO₂-neutrale Elektromobilität schaffen. Insbesondere bei der Frage nachhaltiger Mobilität zu Land ist die Umstellung auf Elektro-Pkws und -Lkws ein wichtiger Faktor.

Gerade für kurze Strecken gibt es noch weitere und auch unkonventionelle Ansätze: Elektrische Senkrechtstarter (eVTOLs) schaffen neue Möglichkeiten für kurze Strecken und reduzieren Pendelzeiten erheblich. In urbanen Umgebungen könnten sie eine Zeitersparnis von 20 bis 80 Minuten pro Fahrt bieten. Bei Mittelstreckenflügen könnten Lithium-Schwefel-Batterien in elektrischen Flugzeugen sowohl Reichweite als auch Zuladungskapazität steigern. Solche Entwicklungen minimieren nicht nur Lärm- und CO₂-Emissionen, sondern bieten auch eine umweltbewusste Mobilitätslösung.

Längere Flugzeiten und höhere Nutzlasten

Elektrische Flugzeuge sind heute auf eine Flugzeit von 30 bis 60 Minuten begrenzt. Technisches Problem sind noch die schweren Akkus. Der Schlüssel zum elektrischen Fliegen liegt in der Batterie selbst. Die letzte Batterie-Revolution der Lithium-Ionen Batterien ist schon über 30 Jahre her. Seither kommen Graphit, Nickel, Mangan und Kobalt zum Einsatz. Doch es gibt Alternativen: Lithium anstelle von Graphit, sowie Schwefel in einer bestimmten Kristallform anstelle von Nickel-Mangan-Kobaltoxid (NMC).

Mit den leichteren Batterien rücken längere Flugzeiten und höhere Nutzlasten oder mehr Passagiere in greifbare Nähe. Bei Mittelstreckenflügen könnten Lithium-Schwefel-Batterien in elektrischen Flugzeugen sowohl die Reichweite als auch die Zuladungskapazität erhöhen. Solche Entwicklungen reduzieren nicht nur Lärm- und CO₂-Emissionen, sondern bieten auch eine ökologisch verantwortungsvolle Mobilitätslösung.

Schwefel als ein möglicher Gamechanger?

Für Entwickler bedeutet der Einsatz von Schwefelbatterien weit mehr als nur den Austausch der Speichertechnologie. Schwefel, ein natürlicher Isolator, muss zunächst leitfähig gemacht werden. Zudem ist es wichtig, die Nebenwirkungen von Polysulfiden zu eliminieren, die Volumenausdehnung beim Laden zu kompensieren und sicherheitsgefährdende Dendriten in der Lithium-Metall-Anode zu vermeiden.

Diese komplexen Herausforderungen greift das Berliner Start-up Theion auf. Theions Mitgründer Marek Slavik hatte bereits vor zehn Jahren die Idee, diese Hürden zu bewältigen, und seit 2020 arbeitet er gemeinsam mit einem stetig wachsenden Team an der Entwicklung dieser Technologie. Zahlreiche Patente und erste Prototypen in Form von Knopfzellen-Batterien unterstreichen den Erfolg dieser Herangehensweise.

Der Ansatz der Schwefel-Kristall-Batterie zeigt sich vielversprechend in funktionsfähigen Prototypen als Knopfzellen. Der nächste Entwicklungsschritt ist die Fertigstellung einer leistungsstärkeren Pouch-Zelle. Dieser technologische Fortschritt soll das elektrische Fliegen, egal ob bemannt oder unbemannt, in Drohnen, mit Lufttaxis oder auf Mittelstrecken, wirtschaftlich realisierbar machen.

Hohe Anzahl von Lade- und Entladezyklen

Der einzigartige Ansatz von Theion liegt in der Nutzung der monoklinen Gamma-Kristallstruktur von Schwefel. Diese Struktur eignet sich besonders gut für eine hohe Anzahl von Lade- und Entladezyklen, wie auch die Drexel University in den USA bestätigt. Auf dieser Basis entwickelt das Unternehmen Lithium-Schwefel-Batterien mit hoher Energiedichte, geringem Gewicht und verbessertem ökologischem Profil. Das Ziel sind gravimetrische Energiedichten von, je nach Spezifikation, 500 Wh/kg bis 1.000 Wh/kg gegenüber den heute üblichen 130 bis 300 Wh/kg. Zyklisierungstests mit Knopfzellen zeigen deutlich bessere Leistungswerte als herkömmlicher Schwefel in orthorhombischer Form.

Neuartige Prozesse sind notwendig

Die Verwendung des Schwefels in der monoklinischen Kristallform erfordert neuartige Prozesse. Die heute in der Batterieindustrie verwendeten Beschichtungsverfahren zur Herstellung der Elektroden, mit Lösungsmitteln, langen Trocknungsstrecken und hohem Energieeinsatz, sind nicht geeignet. Theion hat deshalb Prozesse, die sich bereits in anderen Industrien bewährt haben, neu parametrisiert und kombiniert, um hochperformante Schwefelelektroden energiesparend und effizient herzustellen. Zu diesen Verfahren gehören kurzzeitige, aber gezielte Bestrahlungsprozesse zur Funktionalisierung von Materialien und Oberflächen sowie der Einsatz von Hochspannung zur großflächigen Orientierung von Nanopartikeln. Alle innovativen Verfahren sind zum Patent angemeldet.

Mit steigender Energiedichte wachsen auch die Ansprüche an Inverter, DC/DC-Wandler und OBCs (On-Board-Charger). Moderne SiC-/GaN-Halbleiter ermöglichen eine effizientere Energieumwandlung, was zur Reduzierung des Gesamtsystemgewichts beiträgt. Trotz der niedrigeren Brandlast im Vergleich zu klassischen Li-Ionen-Zellen sind kontinuierliche Monitoring-Systeme zur Temperatur- und Zellspannungskontrolle entscheidend, um Degradation frühzeitig zu erkennen.

Zyklenfestigkeit ist noch begrenzt

Die Zyklenfestigkeit der ersten Li-S-Prototypen ist noch begrenzt. Hierbei ist entscheidend, wie das Batteriemanagementsystem (BMS) Degradation managt und die Reichweite im Betrieb zuverlässig prognostiziert. Höhere theoretische Energiedichten bieten die Möglichkeit größerer Reichweiten, erfordern jedoch angepasste Ladeprofile und optimierte Schnellladefähigkeiten. Leichtere Batteriepacks schaffen Spielraum bei der Integration in Fahrzeugplattformen, was Auswirkungen auf Leistungselektronik und Kühlkonzepte hat.

Während im Straßenverkehr die nächsten Entwicklungsschritte in Richtung kosteneffizienter und langlebiger Li-S-Batterien gehen, zeichnen sich in der Luftfahrt langfristige Anwendungen ab. Hier könnten eVTOLs für Kurzstrecken oder elektrische Flugzeuge für mittlere Reichweiten zum Einsatz kommen. Für Entwickler sind diese Szenarien zwar noch kein unmittelbarer Alltag, bieten jedoch einen Innovationsschub und stellen die Weichen für technologische Fortschritte.

Die Weiterentwicklung der Batterietechnologie betrifft nicht nur die Materialforschung, sondern direkt auch die Arbeit von Elektronikentwicklern in der Automobilbranche. Schlüsselaufgaben für die nächste Generation von Elektrofahrzeugen umfassen die Entwicklung adaptiver BMS-Algorithmen für neue Zellchemien, die Absicherung von Sicherheits- und Thermomanagementsystemen sowie die Integration in leistungsoptimierte SiC-/GaN-basierte Antriebs- und Ladeelektronik. Elektronikentwickler bestimmen maßgeblich, wie schnell und zuverlässig Schwefel- und andere innovative Batterietechnologien den Weg in serienreife Produkte finden.

Der Beitrag ist mit Material des Start ups Theion entstanden. (heh)

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