Theion: Fragwürdige Wunderakkus aus Berlin
Das Unternehmen Theion(öffnet im neuen Fenster) mit Sitz in Berlin will Akkus aus Schwefelkristallen liefern und verspricht dabei, mit der vierten Generation seiner Technologie Energiedichten über 1.000 Wh/kg und 1.500 Wh/l erreichen zu können, eine Leistung von 12 kW/kg und mehr als 1000 Ladezyklen. Nur: Im Patent der Technik(öffnet im neuen Fenster) ist lediglich von 600 Wh/kg die Rede – und nicht einmal davon kann das Unternehmen einen funktionierenden Prototyp vorweisen, nicht einmal eine einlagige Zelle in Kreditkartengröße – wie Quantumscape im Jahr 2020.
Dennoch sollen die Akkus von Theion schon im kommenden Jahr tonnenweise produziert werden und ab 2025 aus einer Gigafactory im Maßstab von Tausenden Tonnen jährlich kommen. Selbst Quantumscape versprach dieses Produktionsniveau erst fünf Jahre nach dem Börsengang und musste das nun auf sieben Jahre verschieben – obwohl die Technik von Quantumscape zumindest im Vergleich zu Theion konventionell ist und nur eine neue Komponente erfordert: einen Separator aus keramischem Elektrolyt.
Theion hat noch drei Jahre bis zur Massenproduktion und will dafür völlig neue Techniken aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen, Graphen und nie dagewesenen elektrisch leitenden Polymeren für Kathode, Anode und Separator entwickeln. Wir haben uns das Unternehmen und seine Versprechen näher angesehen – und wenig Vertrauenerweckendes gefunden.
Ein "weltweit führender" Wissenschaftler, der keiner ist
Technikchef Marek Slavik wird vom Unternehmen als "einer der weltweit führenden Chemiewissenschaftler und Batterieexperten" vorgestellt. Bei der Suche nach seinem Namen auf Google Scholar finden sich aber nur drei Papers zur Akkutechnik, allesamt zu Lithium-Schwefel-Akkus. In zwei Papers von 2016(öffnet im neuen Fenster) und 2017(öffnet im neuen Fenster) wird er als sechster von acht Autoren genannt, hat dort also nur kleine Beiträge geleistet. Im dritten Paper von 2015(öffnet im neuen Fenster) wird er als letzter von sechs Autoren und als Mitarbeiter von Graphene Batteries AS genannt. Oft ist das ein Hinweis auf eine rein repräsentative Funktion dieses Autors. Leitautor aller drei Papers war Tomás Kazda, der auch im Akkupatent als Miterfinder erwähnt wird.
Slavik ist Mitgründer der Firmen Lithio(öffnet im neuen Fenster) und Iontech Systems.(öffnet im neuen Fenster) Auf den Webseiten dieser Unternehmen befindet sich heute der Hinweis "This page is under construction" , demnach sind sie wohl nicht mehr aktiv. Slavik war von Oktober 2014 bis Mai 2019 Senior Scientist von Graphene Batteries AS.(öffnet im neuen Fenster) In dem Zeitraum erschienen die drei Papers, in denen Slavik Co-Autor war. Es scheint jedoch eine besonders erfolglose Zeit für dieses Unternehmen gewesen zu sein.
Laut Archive.org wurde die Webseite von Graphene Batteries letztmalig am 9. Mai 2014 aktualisiert, mit einem Beitrag zur Teilnahme an einer Graphen-Konferenz in Toulouse und einer Pressemeldung in einer norwegischen Zeitung. Danach folgten keine Updates mehr. Die Webseite verblieb in diesem Zustand bis 2017. Erst 2018 wurde die Seite durch den Hinweis "Site under construction" und 2019, nach dem Ausscheiden von Slavik, durch eine neue Webseite ersetzt. Das sind bemerkenswerte Vorgänge. Unabhängig davon kann gesagt werden, dass Slavik kein "weltweit führender Chemiewissenschaftler und Batterieexperte" ist und als solcher auch noch nie in Erscheinung getreten ist.
Als Beiratsvorsitzender von Theion wurde kürzlich der 79-jährige Gerhard Cromme eingestellt. Dieser arbeitete bereits in den Vorstandsetagen von Siemens, Allianz, Lufthansa und Thyssen Krupp. Cromme hat der Firma erfolgreich zu ausreichend Ansehen für eine umfassende Medienberichterstattung(öffnet im neuen Fenster) verholfen, auch international.(öffnet im neuen Fenster) Seine Berufung ändert jedoch nichts an den grundsätzlichen Fragen der Seriosität des Geschäftsmodells, den Behauptungen über den Technikchef und der Technologie, die im Folgenden genauer betrachtet wird.
In der Theorie sind die Akkus möglich
Die Lithium-Schwefel-Akkus von Theion sollen eine Anode aus Lithiummetall verwenden. Diese Anodentechnik befindet sich noch immer nicht in kommerzieller Produktion, auch wenn einige Unternehmen der Massenproduktion näherkommen. SES hat 2021 nach neun Jahren Forschungsarbeit begonnen, eine erste Gigafactory für Zellen mit Metallanode zu bauen, die 2023 fertig sein soll. Cuberg hat 2022 nach sieben Jahren Forschung erste Prototypen gezeigt. Die technischen Probleme sind enorm und selbst darauf spezialisierte Unternehmen bekommen sie noch nicht vollständig in den Griff.
Theion hingegen behandelt die Entwicklung einer Akkukonstruktion mit einer sicheren, langlebigen Lithium-Metall-Anode, als wäre sie eine Selbstverständlichkeit. Es muss deshalb zunächst die Frage gestellt werden, warum Theion nicht längst Lithium-Akkus mit Metallanoden und herkömmlichen Kathoden herstellt. Das Interesse aller Kunden auf der Suche nach Akkus mit hoher Energiedichte wäre gesichert, zumal die Herstellung laut Firmenaussagen billig durchführbar sein soll.
Dabei bestehen sogar noch größere Herausforderungen in der Schwefelkathode und dem Elektrolyt, wo Theion einige völlig neue Ansätze präsentiert. Ob sie funktionieren, muss hinterfragt werden, denn es gibt sie bislang nur in einem Patent. Technologien können aber auch ohne jeden Beweis der Funktionsfähigkeit patentiert werden, wie etwa bei Patenten zur Anti-Gravitation.(öffnet im neuen Fenster) Es gibt keine Demonstrationen der Funktion der Kathode durch das Unternehmen und auch keine Hinweise auf vergleichbare Forschungsergebnisse.
Leichter Schwefel reagiert mit viel Lithium
Kathoden aus Schwefel ermöglichen theoretisch viel höhere Energiedichten als herkömmliche Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid-Kathoden. Schwefelatome haben nur ein Drittel des Gewichts der typischen Metallatome mit zwei Sauerstoffatomen, die mit jeweils einem Lithiumatom reagieren. Ein Schwefelatom kann dagegen gleich mit zwei Lithiumatomen reagieren. Dafür haben Schwefelkathoden nur rund die halbe Spannung, geben also weniger Energie pro Lithiumatom ab. Die mögliche Energiedichte ist dennoch deutlich höher.
Theoretisch sind die von Theion vorgelegten Angaben zu Energiedichte, Leistung und Lebensdauer der Akkus erreichbar. Aber in der Praxis haben schon viele Unternehmen erfolglos versucht, Lithium-Schwefel-Akkus zu kommerzialisieren, inklusive der von Slavik gegründeten Firma Lithio und der Firma Graphene Batteries, wo er Senior Scientist war.
Wenn Slavik nun doch ein Durchbruch gelungen sein sollte, wären funktionierende und von unabhängiger Stelle getestete Prototypenzellen das Mindeste, was als Beleg einzufordern und auch einfach zu liefern wäre. Schließlich sollen die Akkus schon im kommenden Jahr in großen Mengen hergestellt werden.
Die praktischen Probleme sind vielfältig und Theion will sie nun alle auf einen Schlag in Rekordzeit gelöst haben.
Schwefel ist ein problematisches Kathodenmaterial
Schwefel leitet fast keinen Strom, er muss aber den Strom beim Laden und Entladen des Akkus zur Trägerfolie aus Aluminium weiterleiten. Außerdem führt die Aufnahme von Lithium beim Entladen des Akkus dazu, dass sich das Volumen des Schwefels um 80 Prozent vergrößert. Durch die Volumenänderung bilden sich Risse im Material und die Schwefelkathode zerfällt. Das ist besonders bei großen Schwefelkristallen zu erwarten. Deshalb wird der Schwefel normalerweise in kleinen Poren von Kohlenstoffstrukturen, die den Strom leiten und den Zerfall verhindern, eingeschlossen.
Laut Slavik reichen hingegen freistehende Schwefelkristalle mit offenen Strukturen, die Platz für das zusätzliche Volumen bieten sollen. Belege, dass diese Strukturen erzeugt werden können und die behaupteten Eigenschaften für Hunderte oder Tausende Ladezyklen behalten, gibt es vom Unternehmen nicht. Kohlenstoffröhrchen sollen als Kristallisationspunkt des Schwefels dienen. Sie sind stromleitend, aber der Schwefel leitet den Strom nicht an die Oberfläche der Kristalle weiter, wo die Reaktion mit dem Lithium stattfindet.
Dafür soll ein stromleitendes Elektrolyt aus einem Polymer dienen, das im Kontakt mit Schwefel durch Bestrahlung mit Laser oder Gammastrahlung stromleitend wird. In herkömmlichen Akkus wird stattdessen feines Kohlenstoffpulver verwendet, das jedoch keinen vollständigen Kontakt gewährleistet. Das flüssige Elektrolyt soll hingegen auch in Mikroporen eindringen und dorthin Strom leiten können. Die Technik müsste getestet und demonstriert werden.
Perfekte Sperrschicht
Außerdem muss ein Separator erzeugt werden, eine nicht-stromleitende Schicht zwischen Kathode und Anode, die dennoch durchlässig für Lithium-Ionen ist. Denn sonst fließt Strom zwischen Anode und Kathode durch einen Kurzschluss im Akku und nicht, wie es sein muss, außen durch die Anschlüsse am Akku. Dabei darf der Separator nicht nur selbst keinen Strom leiten, sondern muss auch verhindern, dass beim Laden des Akkus von Seite der Anode Lithiummetallnadeln wachsen und die Sperrschicht durchdringen.
Das würde einen Kurzschluss mit der Kathode verursachen, bei dem sehr viel Wärme frei wird und der Akku förmlich explodieren kann. Deswegen werden in heute verkauften Lithium-Ionen-Akkus reine Metallanoden vermieden und das Lithium stattdessen in Graphit oder Silizium gespeichert. Cuberg und SES haben viele Jahre Forschungsarbeit allein mit diesem einen Problem verbracht.
Noch dazu gibt es das Problem des Polysulfid-Shuttle-Effekts. Reiner Schwefel ist im Elektrolyt unlöslich, ebenso wie reines Lithiumsulfid (das Produkt des Entladevorgangs im Akku). Das ist gut so, denn sonst gelangt Material der Kathode zur Anode, transportiert dabei elektrische Ladungen und der Akku entlädt sich selbst. Es entstehen beim Entladevorgang aber Zwischenprodukte, Polysulfide, die sich im Elektrolyt auflösen, frei beweglich werden und dieses Problem verursachen.
Graphenschichten gegen Shuttle-Effekt
Slavik will die Polysulfide mit einer zusätzlichen Schicht aus Graphen und darauf aufgebrachten Metallatomen als Katalysator chemisch in eine unlösliche Form verwandeln. In der Forschung ist dieser Ansatz bekannt. Aber auch hier fehlt der Nachweis, dass die konkrete Technik für kommerzielle Anwendungen ausreichend gut funktioniert und sich entsprechend verarbeiten lässt. Die Vielzahl der unterschiedlichen zu lösenden Probleme ist der Grund, weshalb noch immer kein Lithium-Schwefel-Akku die Marktreife erreicht hat.
Allein an der Lösung des Problems der Lithiumnadeln stecken bei SES wenigstens zehn Jahre Arbeit bis zur Kommerzialisierung – ganz ohne ein nur lokal stromleitendes Elektrolyt mit Lasern oder anderer Strahlung erzeugen zu wollen oder Graphenschichten zur Eindämmung des Polysulfid-Shuttle-Effekts. Theion könnte also nicht einmal deren Forschungsergebnisse übernehmen, wenn sie darauf Zugriff hätten.
Für das Funktionieren der Elektrolyttechnik fehlt auch jeglicher Beleg durch die Firma, insbesondere für die durch Laser- oder Gammastrahlung ermöglichte Stromleitung mit Elektronen im Elektrolyt. Das Unternehmen sucht derzeit nach Experten für Photonik, was nahelegt, dass es die Technik noch nicht beherrscht. Das müsste sich nun aber sehr schnell ändern.
Nächstes Jahr müssen Blaupausen für die Gigafactory fertig sein
Spätestens 2023 muss Theion die Technik vollständig beherrschen und in so großem Maßstab getestet haben, dass die Blaupausen zur Bestellung der Maschinen der Gigafactory fertig sind, die 2025 in Betrieb gehen soll. Denn die Lieferzeit für Spezialanfertigungen beträgt rund zwei Jahre. Das ist der Hauptgrund für die Verzögerungen bei der Entwicklung der Akkus von Quantumscape. Das Unternehmen konnte immerhin von Anfang an wenigstens einfache Prototypen vorweisen und hoffte mit zu viel Optimismus auf einen Zeitraum von fünf Jahren bis zur Produktion im Maßstab einer Gigawattstunde.
Die möglichen Kosten für die Lithium-Schwefel-Akkus lassen sich kaum abschätzen. Theion wirbt mit dem billigen und gut verfügbaren Rohstoff Schwefel und nennt dafür einen Preis von 20 Cent pro Kilogramm. Aber teure Kohlenstoff-Nanoröhrchen, Graphen und Lithium werden verschwiegen. Beim derzeitigen Lithiumpreis ist allein dafür mit Kosten über 100 Euro pro Kilowattstunde und Problemen mit der Verfügbarkeit zu rechnen.
Dazu kommt eine viel größere Komplexität der Produktion, mit viel höheren Kosten und absehbaren Verzögerungen durch technische Probleme, selbst wenn die Akkutechnik an sich genau wie behauptet und völlig problemlos funktioniert. Theion spricht im Patent von Schwefel-Wafern, die mit Lasern geschnitten und dann im Pick-and-Place-Verfahren verarbeitet werden.
Unglaubwürdige Produktionsversprechen
Das hat nichts mit normaler Akkuproduktion zu tun. Im herkömmlichen Verfahren werden in einem vergleichsweise einfachen Prozess 100 Meter Aluminiumfolie pro Minute mit Pulver beschichtet, das von einem Bindemittel zusammengehalten wird, um die Produktionskapazität einer Gigafactory zu erreichen. Diese optimierten Verfahren sind mit viel weniger Aufwand und Kosten verbunden, als starre Schwefelwafer zu schneiden, mit Robotern abzuheben und auf den Metallfolien zu platzieren.
Laut Patent werden die hohlen Schwefelkristalle nur vom Schwefel selbst zusammengehalten, ohne jede stützende Struktur. Sie sind also sehr fragil. Auch hier fehlt jede überprüfbare Demonstration dieser Technologie – es gibt sie nicht einmal im Labormaßstab. Aber schon im kommenden Jahr müssen alle Pläne für zuverlässige Großanlagen bereitstehen, die in drei Jahren über 1.000 Tonnen Akkus herstellen sollen.
Der Autor meint dazu
Theion verspricht, innerhalb von drei Jahren eine Akkutechnik im Maßstab einer Gigafactory zu realisieren, an der seit Jahrzehnten erfolglos gearbeitet wird. Das Unternehmen hat keinerlei Beleg für das Funktionieren der notwendigen komplexen Akkutechnik geliefert, die in mehreren Bestandteilen aus Techniken besteht, deren Funktionsweise noch nie demonstriert wurde und deren Produktionstechnik auch noch nicht existiert. Es behauptet, einen weltweit führenden Wissenschaftler und Akkuexperten als Technikchef zu haben, was er aber nicht ist.
Der Zeitrahmen, die technischen Angaben und das Fehlen jedweder Demonstration der Technologie erwecken den starken Eindruck, dass hier eine unseriöse Akkufirma mit weit übertriebenen Versprechen nach Investorengeldern sucht. Diesen Eindruck könnte das Unternehmen leicht vermeiden, indem es die angeblich längst zur kommerziellen Nutzung ausgereifte Technik unabhängigen Teststellen zur Prüfung vorlegt.