Die Elektromobilität schreitet weltweit mit hohem Tempo voran. Märkte wie China oder die USA haben elektrische Antriebe bereits in hohem Maße normalisiert – das zeigen Vorreiter wie die Stadt Shenzhen, wo bereits seit 2017 der öffentliche Nahverkehr nahezu komplett elektrisch ist. Die Automobilnation Deutschland nimmt hier nicht länger eine Spitzenposition ein.
» Gastbeitrag von Martin Schaupp, CTO theion
Der Status Quo: In Deutschland stagnieren die Anschaffungen von E-Autos. Maßgeblich sind die bestehenden Restriktionen. Die Batterien bleiben der Flaschenhals bei Reichweite, Ladegeschwindigkeit, Kosten und Rohstoffverfügbarkeiten.
Lithium-Ionen-Batterien haben sich in den letzten zwei Jahrzehnten zur dominierenden Technologie entwickelt. Ihre Performance ist hoch, ihre Herstellungsprozesse sind etabliert und industrialisiert. Doch mit zunehmendem Reifegrad zeigen sich physikalische und ökonomische Grenzen:
- Energiedichte: Die spezifische Energie stagniert, was Reichweitengewinne erschwert.
- Kostenstruktur: Rohstoffe wie Kobalt und Nickel sind teuer, volatil im Preis und mit problematischen Lieferketten verbunden.
- Recycling und Nachhaltigkeit: Lithium-Ionen-Zellen sind komplex aufgebaut und schwer vollständig zu recyceln.
Die Folge: Für eine nachhaltige und global skalierbare Elektromobilität braucht es neue Materialsysteme. Schwefel ist reichlich vorhanden, kostengünstig und mit hoher theoretischer Energiedichte ein ideal geeignetes Material. Das Berliner Deep-Tech-Startup theion hat das Potenzial von Schwefel erkannt und arbeitet an der Entwicklung einer Schwefel-Kristall-Batterie.
Vom Material zum Prozess
Schwefel als Kathodenmaterial bildet den Ausgangspunkt für eine mögliche Technologiewende. Doch Materialinnovation allein reicht nicht – entscheidend ist, wie dieses Material in einen reproduzierbaren, industrietauglichen Herstellungsprozess überführt wird. In der Entwicklung von Schwefel-Kristall-Batterien wurden dazu mehrere neuartige Prozessschritte entwickelt:
- Crystal Wafer Growth: Flüssiger Schwefel wird kristallisiert und bildet eine selbstragende Struktur für die Kathode.
- Dip Coating: Da Schwefel nicht leitfähig ist, wird er mit leitfähigen Schichten versehen. Verschiedene Beschichtungsverfahren stellen sicher, dass der Schwefel in der Zelle elektrisch aktiv genutzt werden kann.
- Irradiation/Crosslinking: Mithilfe von UV-Strahlung wird die Beschichtung dauerhaft mit dem Schwefel verbunden, zugleich verbessert sich die Leitfähigkeit.
- Irradiation and Quenching: Durch gezielte Bestrahlung und schnelles Abkühlen wird die volumetrische Veränderung des Schwefels während des Ladens und Entladens stabilisiert – ein entscheidender Schritt, um die mechanische Integrität in der Zelle sicherzustellen.
- Catholyte Infusion: Eine finale Schutzschicht fixiert die Eigenschaften des Kathodenverbundes langfristig.
Jeder dieser Schritte adressiert zentrale Schwachstellen der Schwefelchemie: Zyklenstabilität, Leitfähigkeit und Volumenkompensation. In der aktuellen Entwicklungsphase liegen theion bereits funktionierende Knopfzellen (TRL 3–4) vor, die die Funktionalität der Technologie bestätigen.
Der nächste große Schritt: Integration
Die zentrale Herausforderung besteht nun darin, aus diesen Einzelschritten eine durchgängige Prozesskette aufzusetzen. Reproduzierbarkeit und Prozesssicherheit sind die entscheidenden Kriterien, um den Übergang von Labormaßstab zu industrieller Fertigung zu vollziehen.
theion arbeitet an der Herstellung von Schwefel-Batterien im Pouch-Format. Das Besondere: Etwa 75 Prozent der Prozessschritte entsprechen der heutigen Lithium-Ionen-Fertigung. Kernprozesse wie das Stapeln, die Elektrolyt-Befüllung, die Formation oder End-of-Line-Tests können weitgehend übernommen werden. Lediglich die Herstellung der Elektroden muss angepasst oder ausgetauscht werden.
Chancen für die Industrie
Diese hohe Prozesskompatibilität hat weitreichende Implikationen für die Batterieproduktion:
- Geringe Umrüstungskosten: Fabriken müssen nicht neu errichtet, sondern nur gezielt angepasst werden.
- Niedriges Risiko: Eingefahrene Fertigungsprozesse können übernommen und erweitert werden, anstatt gänzlich neue Linien aufzubauen.
- Schneller Markthochlauf: Die Industrialisierung kann deutlich schneller erfolgen als bei alternativen Ansätzen wie Festkörper- oder Natrium-Ionen-Batterien.
- Attraktivität für OEMs und Zellproduzenten: Hersteller können bestehende Kapazitäten nutzen und mit vergleichsweise geringem Aufwand auf die neue Chemie umstellen.
Damit eröffnet sich die Möglichkeit, die Schwefel-Kristall-Batterie nicht als „Disruption von außen“, sondern als kompatible Weiterentwicklung der bestehenden Produktionslandschaft einzuführen.
Recycling
Die Batterie von theion besteht zu einem sehr hohen Prozentsatz aus Schwefel, also aus einem „aktiven“ Material, welches zur Energiedichte der Zelle beiträgt. „Passive Materialien“ wie Metalle kommen nur in geringen Mengen vor, organische Binder werden gar nicht verwendet. Das eröffnet Möglichkeiten beim Recycling der Materialien: Um eine Zelle wieder dem Kreislauf zuzuführen, können der Schwefel verflüssigt und die Metalle getrennt werden. Alle Materialien werden anschließend im Fertigungsprozess erneut verwendet. Das komplette Recycling der Kristallbatterie von theion kann also in nur einem zusätzlichen Prozessschritt abgebildet werden.
Ausblick
Die Integration der beschriebenen Prozessschritte ist der Schlüssel zur Industrialisierung. Gelingt theion dieser Schritt wie geplant bis Ende 2025, entsteht eine Brücke zwischen innovativem Materialsystem und industrieller Realisierbarkeit. Das Potenzial liegt klar auf der Hand: Durch den Einsatz von Schwefel, einem preiswerten und reichlich vorhandenen Rohstoff, können Gewicht, Kosten und CO2-Fußabdruck auf ein Drittel heutiger Batterien gesenkt werden. Die Arbeit an Schwefel-Kristall-Batterien zeigt, wie eng Materialwissenschaft und Prozessentwicklung verknüpft sind. Nur wenn es gelingt, beide Dimensionen zusammenzuführen, lässt sich die nächste Generation von Batterien aus der Idee in die Massenproduktion überführen.
