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Batterien auf Schwefelbasis haben großes Potenzial
Das Berliner Deep-Tech-Startup theion entwickelt bekanntermaßen Batterien auf Schwefelbasis und gibt jetzt weitere Details zur eigenen Technologie bekannt und Vergleichswerte mit konkurrierenden Ansätzen.
Batterien auf Schwefelbasis machen kritische Rohstoffe wie Kobalt oder Nickel überflüssig. Dieser Ansatz hat aber noch weitere Vorteile: Aufgrund der höheren spezifischen Kapazität der verwendeten Materialien zielt theion auf eine Kosten- und Gewichtsreduzierung auf ein Drittel der heutigen Batterietechnologie. Die neuartige Batterietechnologie soll eine stark verbesserte Nachhaltigkeitsbilanz und niedrigere CO₂-Emissionen gewährleisten. In der Bilderstrecke finden sich Vergleichsdaten zwischen Schwefel-Batterien zu bisherigen Lösungen.
Mit Schwefel zur Energiewende
Mit der Gründung im Jahr 2020 hat sich theion auf eine neuartige Batterietechnologie spezialisiert. Durch die frühzeitige Fokussierung auf die monokline Gamma-Kristallstruktur von Schwefel differenziert sich das Unternehmen in einem wettbewerbsintensiven Umfeld technologisch. Mitgründer Marek Slavik, Materialwissenschaftler und Batterieexperte, erkannte das Potenzial der monoklinen Gamma-Kristallstruktur von Schwefel für eine Batterie mit hoher Energiedichte, geringem Gewicht und exzellenter Umweltbilanz. Ziel ist es, Lithium-Schwefel-Batterien mit Energiedichten von bis zu 1000 Wh/kg und 1200 Wh/l sowie einem herausragenden ökologischen Fußabdruck zu ermöglichen. Während herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien auf endliche Rohstoffe angewiesen sind, nutzt theion Schwefel – ein weltweit verfügbares industrielles Nebenprodukt. Diese Entscheidung reduziert nicht nur Produktionskosten, sondern verringert zugleich deutlich die Abhängigkeit von geopolitisch sensiblen Lieferketten.
»Viele Unternehmen forschen zu Schwefel als Basis für Batterietechnologie. Bei theion arbeiten wir mit der monoklinen Gamma-Kristallstruktur. Die Drexel University in den USA hat in Studien gezeigt, dass diese spezifische Kristallstruktur für den Einsatz in Energiespeichern besonders geeignet ist. Sie nutzt die Schwefel-Speicherkapazität effizient aus, indem sie die aktive Materialoberfläche optimal verfügbar macht, und trägt zur Erhöhung der Zyklenstabilität bei. Das Forschungsteam von Drexel konnte über 4.000 vollständige Lade- und Entladezyklen ohne nennenswerten Kapazitätsverlust nachweisen – ein wichtiger Schritt in Richtung praktikabler Lithium-Schwefel-Batterien«, erläutert Marek Slavik.
Quantensprung für grüne Technologien
Eine der großen Herausforderungen beim Einsatz von Schwefel ist die unerwünschte Polysulfid-Migration zur Alkalimetall-Elektrode. theion adressiert diese Herausforderung, indem es Schwefel durch verschiedene patentierte Verfahren prozessiert. Der Einsatz von Schwefel auf der Kathode und Lithium Metall auf der Anode ermöglicht ein deutlich höheres Energie-Gewichts-Verhältnis im Vergleich mit gängigen Lithium-Ionen-Batterien: Statt der üblichen 130 bis 400 Wh/kg kann eine Schwefel-Kristallbatterie von 500 bis 1000 Wh/kg erreichen, je nach Batteriespezifikation. Basis hierfür ist die monokline Struktur des Schwefels. Durch das spezielle Herstellungsverfahren dieser Struktur, das ohne energieintensive Beschichtungsverfahren auskommt, hebt sich dieser Lösungsansatz von bestehenden Methoden ab und wird aktuell von keinem Wettbewerber genutzt.
Das Potenzial der monoklinen Gamma-Kristallstruktur von Schwefel für die Batterie-Technologie ist enorm
Die Vergleiche zeigen die Vorteile eindeutig
Technologische Grundlagen: monokline Gamma-Schwefel-Kristalle
Die monokline Gamma-Kristallstruktur des Schwefels erhöht die elektrochemische Stabilität der Kathode und so die Ausnutzung des Schwefels als Speichermedium. Theion‘s proprietäres Flash-Irradiation-Verfahren, bei dem volumetrische Schwankungen der Kathode während des Lade-/Entladezyklus minimiert werden, zielt auf eine Reduktion des Elektrolyt-zu-Schwefel-Verhältnisses (E/S) – von derzeit 5 ml/g in modernen Li-S-Zellen auf ≤1,2 ml/g. In Kombination mit einer Schwefel-Flächenbeladung von ≥8 mg/cm² gilt dies als »heiliger Gral« für die erfolgreiche Industrialisierung von Lithium-Schwefel-Pouch-Zellen. Im Zusammenspiel von weiteren patentierten Prozessschritten kann so die Bildung und Auflösung störender Polysulfide effektiv verhindert werden. Dadurch verbessert sich die Lebensdauer der Batterie, und ihre hohe Leistungsfähigkeit bleibt auch nach zahlreichen Lade- und Entladezyklen erhalten.
Beitrag zur globalen Energiewende
Dieser technologiegetriebene Ansatz bietet großes Potenzial für Anwendungen, bei denen Kompaktheit, Leichtbau und langfristige Stabilität entscheidend sind – beispielsweise in der Elektromobilität, das elektrische Fliegen, sowie in erneuerbaren Energiespeichern. »Mit der aktuellen Lithium-Ionen-Technologie kommt die Batterie-Technologie für Mobilitätsanwendungen schnell an ihre Grenzen – unsere kristalline Schwefel-Technologie soll es Autofahrern ermöglichen, dreimal weiter zu fahren, bei gleichzeitig kürzeren Ladezeiten und niedrigeren Anschaffungskosten. Gleichzeitig fällt die Abhängigkeit von kritischen Rohstoffen aus instabilen Regionen weg. Außerdem macht sie elektrisches Fliegen mit Lufttaxis und auf Mittelstrecken überhaupt erst wirtschaftlich umsetzbar. Es liegt noch Arbeit vor uns, aber wir sind fest entschlossen, unser Ziel zu erreichen«, erklärt Dr. Ulrich Ehmes, CEO von theion. Der vielversprechende Ansatz der Schwefel-Kristall-Batterie wurde bereits durch funktionsfähige Prototypen in Form einer Knopfbatterie bestätigt. Als nächster Entwicklungsschritt ist die Fertigstellung einer leistungsfähigeren Pouch-Zelle geplant.
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