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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Faserverbundstruktur mit mehreren Faserverbundschichten sowie ein zugehöriges Herstellungsverfahren.
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In vielen Bereichen der Technik, beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt, dem Fahrzeugbau und der Elektromobilität, lösen Faserverbundwerkstoffe zunehmend Metalle als tragende Strukturen ab, da sie gleiche Leistungsfähigkeit bei geringer Masse und geringerem Volumen erreichen können.
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Faserverbundwerkstoffe weisen im Allgemeinen zwei wesentliche Komponenten, nämlich eine bettende Matrix sowie verstärkende Fasern, auf, die in Kombination durch Wechselwirkung der Komponenten untereinander höherwertige Eigenschaften als die jeweiligen Komponenten für sich genommen zeigen. Die Kombination aus Matrix und Fasern ist für die gewünschten Eigenschaften des Verbundwerkstoffes essentiell.
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Für einen Großteil der Anwendungen sind bei strukturellen Bauteilen, die aus Faserverbundwerkstoffen gefertigt sind, Hauptrichtungen der Lasten zu erwarten. Es ist in diesem Fall bekannt, um die Festigkeit des Faserverbundwerkstoffes richtungsabhängig zu beeinflussen, Gewebe oder Gelege, die vor dem Kontakt mit der Matrix hergestellt werden, vorzusehen und die Fasern entsprechend der Lastrichtungen ausrichten, anstelle einzelne Fasern zu verwenden. Die Fasern können insbesondere in diesen Geweben oder Gelegen entweder als Einzelfasern oder als sogenannte Faserrovings, d.h. als eine Vielzahl von Fasern, die parallel zu Bündeln oder Strängen angeordnet ist, vorliegen.
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Mehrere dieser Gewebe oder Gelege werden dann häufig in im Wesentlichen parallelen Schichten zu einem sogenannten Laminat angeordnet und mittels der Matrix zu einer Faserverbundstruktur mit richtungsabhängigen Festigkeiten verbunden. Die Matrix stellt damit die mechanische Verbindung zwischen den Fasern unterschiedlicher Schichten sicher.
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Aufgrund der Anordnung der Fasern, beispielsweise durch das Weben zu Geweben, entstehen notwendigerweise faserfreie Bereiche bzw. Hohlräume. Um die Tragkraft des Laminates zu gewährleisten, ist eine Verbindung der Fasern durch Matrixmaterial zwar notwendig, ein, insbesondere vollständiges, Füllen der Hohlräume zwischen den Fasern durch Matrixmaterial ist aus konstruktiver Sicht allerdings nicht erforderlich und trägt somit lediglich zur Massesteigerung bei. Anders ausgedrückt trägt der Matrixanteil, der aus konstruktiver Sicht für die Strukturfunktion nicht erforderlich ist, nichts zu dem funktionell nutzbaren Masseanteil der Faserverbundstruktur bei.
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Der vorliegenden Erfindung lag vor diesem Hintergrund die Aufgabe zugrunde, einen Faserverbundwerkstoff dahingehend zu verbessern, den funktionell nutzbaren Masse- bzw. Volumenanteil zu erhöhen. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung war den Faserverbundwerkstoff dahingehend zu verbessern, zusätzliche Funktionalität in den Faserverbundwerkstoff zu integrieren.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Faserverbundstruktur mit mehreren Faserverbundschichten gelöst, wobei jede Faserverbundschicht Fasern und Matrix aufweist. Die Faserverbundstruktur weist eine erste und eine zweite elektrisch leitende Faserverbundschicht und eine elektrisch separierende Faserverbundschicht, die zwischen der ersten und zweiten elektrisch leitenden Faserverbundschicht angeordnet ist, auf. Die erste und zweite elektrisch leitende Faserverbundschicht und die elektrisch separierende Faserverbundschicht weisen einen Elektrolyt auf. Die erste und zweite elektrisch leitende Faserverbundschicht weisen ferner ein Aktivmaterial auf.
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Die erfindungsgemäße Faserverbundstruktur weist somit elektrochemisch energiespeichernde und -abgebende Funktionen auf. Dazu werden die nutzbaren Hohlräume der ersten und zweiten elektrisch leitfähigen Faserverbundschichten mit Batteriematerialien gefüllt, insbesondere mit Aktivmaterialien und Elektrolyt. Als Aktivmaterial werden allgemein chemisch aktive Substanzen bezeichnet, die für die Speicherung oder Abgabe elektrochemischer Energie beispielsweise in Batterien oder Akkumulatoren einsetzbar sind. Als Elektrolyt werden allgemein Materialien bezeichnet, die vor allem eine gute Ionenleitfähigkeit aufweisen. Unter Batteriematerialien werden allgemein sämtliche für eine Batteriefunktion unterstützende Materialien verstanden, neben dem erwähnten Aktivmaterial und dem Elektrolyt kann die Faserverbundstruktur auch weitere Batteriematerialien aufweisen, auf die exemplarisch im weiteren Verlauf eingegangen wird.
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Vorzugsweise weist eine der elektrisch leitenden Faserverbundschichten Anodenbatteriematerialien als Aktivmaterial und die weitere der elektrisch leitenden Faserverbundschichten Kathodenbatteriematerialien als Aktivmaterial auf. Die somit entstehende Kathode ist die beim Entladevorgang positive Elektrode und die somit entstehende Anode ist die beim Entladevorgang negative Elektrode. Beide Elektroden sind dann über einen äußeren Stromkreis verbindbar. Die elektrisch separierende Faserverbundschicht weist hingegen eine reine Elektrolytfüllung auf, was sie zum Separator macht.
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Beim Lade- und Entladeprozess der Elektroden werden sowohl Ionen als auch Elektronen zwischen den Elektroden transportiert, beim Laden von der Kathode zur Anode, beim Entladen von der Anode zur Kathode. Vorzugsweise ist der Elektrolyt in der elektrisch separierenden Faserverbundschicht, die auch als Separator bezeichnet wird, derart ausgelegt, dass er Ionen des Aktivmaterials von der ersten zu der zweiten elektrisch leitenden Faserverbundschicht und zurück transportieren kann. Der Separator darf keine oder nur eine geringe elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Der in der elektrochemischen Reaktion entstehende elektrische Strom kann somit ausschließlich über einen äußeren Stromkreis fließen, um einen elektrischen Kurzschluss zwischen den elektrisch leitenden Faserverbundschichten zu vermeiden. Im Folgenden und im Rahmen dieser Beschreibung wird als elektrische Leitfähigkeit vereinfacht lediglich die elektronische Leitfähigkeit in Abgrenzung zu einer ionischen Leitfähigkeit bezeichnet.
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Vorzugsweise weisen die nutzbaren Hohlräume der Faserverbundschichten zusätzlich weitere Zusätze, insbesondere Batteriematerialien wie Leitfähigkeitsadditive und Binder, auf. Als Leitfähigkeitsadditive werden allgemein sehr gut leitfähige Materialien bezeichnet, die die elektrische Leitfähigkeit von Batterieelektroden erhöhen. Als Binder werden allgemein Materialien bezeichnet, die die mechanische Integrität von Elektroden erhöhen.
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Somit entspricht die Kombination aus erster und zweiter elektrisch leitender Faserverbundschicht mit der dazwischen angeordneten elektrisch separierenden Faserverbundschicht einem elektrochemischen Speicher für elektrische Energie. Die erste und zweite elektrisch leitende Faserverbundschicht nehmen dabei ergänzend die Funktion von Elektroden eines Speichers elektrischer Energie ein, ohne dass dies eine Beeinträchtigung der strukturellen Funktion der Faserverbundstruktur mit sich bringt.
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Anders ausgedrückt, die strukturelle Belastbarkeit der Faserverbundstruktur ist durch die Kombination der unterschiedlichen Faserverbundschichten gewährleistet, wobei durch die geschickte Anordnung unterschiedlicher Faserverbundschichten mit unterschiedlichen Zusätzen, wie Aktivmaterial und Elektrolyt, eine zusätzliche Funktionalität in den Faserverbund integriert ist.
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Die erfindungsgemäße Faserverbundstruktur erhöht somit den funktionell nutzbaren Volumenanteil sowie auch den Masseanteil der Faserverbundstruktur daher, dass nicht der vollständige Hohlraum zwischen den Fasern mit Matrixmaterial aufgefüllt wird, sondern dass Batteriematerialien, insbesondere Aktivmaterial bzw. Elektrolyt, in die unterschiedlichen Faserverbundschichten eingebracht sind. Dadurch, dass die Faserverbundstruktur durch die Zusätze als Speicher elektrischer Energie wirkt, erweitert die erfindungsgemäße Lösung die strukturell belastbare Faserverbundstruktur um eine zusätzliche Funktionalität, nämlich die der reversiblen elektrischen Energiespeicherung.
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Während die Faserverbundstruktur strukturell unterschiedliche Faserverbundschichten aufweist, ist die Matrix der Faserverbundstruktur in einer bevorzugten Ausführung chemisch identisch. Dadurch wird ein vereinfachter Herstellungsprozess ermöglicht. Es ist allerdings in anderen Ausführungen genauso möglich, unterschiedliche Matrizen in unterschiedlichen Schichten vorzusehen, solange die strukturelle Verbindung der unterschiedlichen Schichten nach der Herstellung der Faserverbundstruktur gewährleistet bleibt.
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In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Faserverbundstruktur bilden die Fasem der ersten und zweiten elektrisch leitenden Faserverbundschicht jeweils eine mechanische Verbindung mit den Fasern der elektrisch separierenden Faserverbundschicht zur durchgehenden Kraftübertragung aus.
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Durch die mechanische Verbindung zwischen den Fasern der elektrisch leitenden Faserverbundschicht und der elektrisch separierenden Faserverbundschicht können die als Elektroden wirkende erste und zweite elektrisch leitende Faserverbundschicht elektrisch voneinander getrennt aber ionisch verbunden werden, ohne die lasttragende Funktion der Gesamtstruktur zu verlieren.
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In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Faserverbundstruktur ist eine Dicke der ersten und zweiten elektrisch leitenden Faserverbundschicht jeweils größer als eine Dicke der elektrisch separierenden Faserverbundschicht.
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Die elektrisch separierende Faserverbundschicht hat lediglich die Aufgabe, eine sichere elektrische Trennung der beiden elektrisch leitenden Faserverbundschichten sicherzustellen, diese aber auch ionisch zu verbinden. Indem das Dickenverhältnis zugunsten der elektrisch leitenden Faserverbundschichten erhöht ist, wird ein höherer Nutzbarkeitsfaktor der Faserverbundstruktur ermöglicht, da die dann ein größeres Volumen einnehmenden elektrisch leitenden Faserverbundschichten entsprechend ein höheres Volumen zum Besetzen mit Aktivmaterial zur Verfügung stellen.
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In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Faserverbundstruktur weisen die Fasern wenigstens einer der ersten und zweiten elektrisch leitenden Faserverbundschicht Kohlenstrofffasern auf und/oder weisen die Fasern der elektrisch separierenden Faserverbundschicht Glasfasern auf.
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Indem die erste und/oder die zweite elektrisch leitende Faserverbundschicht Kohlenstrofffasern aufweist, können die Fasern selbst als Stromkollektor oder Stromleiter für von dem Aktivmaterial erzeugten bzw. aufgenommenem elektrischen Strom dienen. Durch die gute räumliche Verteilung der Fasern kann dann der oftmals geringereren Leitfähigkeit des Aktivmaterials entgegengewirkt werden. Alternativ können aber auch die Fasern der ersten bzw. zweiten elektrisch leitenden Faserverbundschicht nichtleitende Fasern sein, wobei die elektrische Leitfähigkeit der Elektroden, die durch die jeweiligen Faserverbundschichten gebildet werden, durch zusätzlich angebrachte Stromkollektoren ermöglicht wird.
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Die Verwendung von Glasfasern als Fasern der elektrisch separierenden Faserverbundschicht ermöglicht eine höhere mechanische, strukturelle Festigkeit, ohne dass die elektrisch isolierende Wirkung der separierenden Faserverbundschicht verloren geht. Selbstverständlich ist auch die Verwendung anderer Fasern als Glasfasern für die elektrisch separierende Faserverbundschicht möglich, solange die Fasern elektrisch nichtleitend sind.
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In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Faserverbundstruktur ist der Elektrolyt als Feststoffelektrolyt ausgestaltet.
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Ein Feststoffelektrolyt ist zumindest in dem fertigem Zustand der Faserverbundstruktur ein Feststoff, der keine oder nur eine geringe elektronische Leitfähigkeit aufweist, aber einen elektrischen Ladungstransport durch die Bewegung von Ionen durch den Elektrolyt ermöglicht. Feste Elektrolyte sind grundsätzlich als gute Isolatoren in Bezug auf Elektronen bekannt. Ferner wird die Gefahr, dass Elektrolyt durch Undichtigkeiten austritt und zu einer Beschädigung der Faserverbundstruktur oder umliegender Strukturen führen könnte, bei festen Elektrolyten gebannt. Ferner sind feste Elektrolyten weniger anfällig für Temperaturschwankungen, die bei flüssigen Elektrolyten zu einem Einfrieren oder Sieden des Elektrolyten führen können, und somit insbesondere für den Einsatz in der Raumfahrt geeignet.
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Der Elektrolyt kann über die gesamte Faserverbundstruktur chemisch identisch sein. In anderen Ausführungen können aber auch unterschiedliche Elektrolyten in den unterschiedlichen Faserverbundschichten integriert sein, solange diese einen Ionentransport dergleichen Ionenart begünstigen.
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In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Faserverbundstruktur weist die Faserverbundstruktur, insbesondere die erste und/oder zweite elektrisch leitende Faserverbundschicht, ein Leitfähigkeitsadditiv auf. Damit wird die elektronische Leitfähigkeit der als Elektroden wirkenden ersten und/oder zweiten elektrisch leitenden Faserverbundschicht weiter erhöht.
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In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Faserverbundstruktur weist die elektrisch separierende Faserverbundschicht eine Glasfaser zur Signalübertragung auf.
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Die Verwendung von Glasfasern zur Signalübertragung, insbesondere zur Datenübertragung, ist bekannt. Erfindungsgemäß werden nun derartige Glasfasern zur Signalübertragung in vorteilhafter Weise in ein strukturtragendes Element, nämlich die erfindungsgemäße Faserverbundstruktur eingebettet. Vorzugsweise werden hierfür eine oder mehrere Glasfasern, die zur Datenein- und -ausgabe aus der Faserverbundstruktur herausgeführt werden, in ein Gewebe bzw. Gelage von Glasfasern eingebettet, das die elektrisch separierende Faserverbundschicht bildet. Nach Verbindung der elektrisch separierenden Faserverbundschicht mit den weiteren Faserverbundschichten ist dann eine Signal- bzw. Datenübertragung sicher in die strukturtragende Faserverbundstruktur integriert, ohne dass weitere Elemente, beispielsweise zur Befestigung der Datenübertragungsleitungen, nötig werden. Diese Funktionsintegration reduziert damit beispielsweise auch Fehlerquellen, wie Kabelbrüche oder Kurzschlüsse.
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Der Volumenanteil der Faserverbundstruktur, der durch Batteriematerialien und nicht durch Fasern oder Matrix ausgefüllt ist, wird als elektrochemisch nutzbares bzw. aktives Volumen oder auch als Additivanteil bezeichnet.
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In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Faserverbundstruktur liegt ein Anteil des elektrochemisch nutzbaren Volumens der Faserverbundstruktur in einem Bereich von 10 Vol. % bis 30 Vol. %, insbesondere von 21 Vol. % bis 29 Vol. % und besonders bevorzugt von 22 bis 27 Vol. %.
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Das restliche Hohlraumvolumen, das heißt das Volumen zwischen den Fasern bzw. Faserrovings, wird wie bei konventionellen Faserverbundstrukturen mit Matrix gefüllt. Der Anteil der Matrix an dem Volumen der Festfaserverbundstruktur ist in dieser Ausführungsform somit geringer als bei üblichen Faserverbunden, bei denen der Matrixanteil üblicherweise bei etwa 40 Vol. % des Bauteilvolumens liegt. Somit ermöglicht die erfindungsgemäße Faserverbundstruktur die gleiche mechanische Stabilität und Festigkeit, wobei ein signifikanter Anteil des Volumens bzw. auch der Masse der Faserverbundstruktur anderen Funktionen zur Verfügung steht. Erfindungsgemäß ist diese zusätzliche Funktion insbesondere die Speicherfunktion für elektrische Energie in elektrochemisch aktiven Batteriematerialien. Es ist eine Erkenntnis der vorliegenden Erfindung, dass bei einem niedrigeren Anteil der Matrix die strukturellen Anforderungen an die Faserverbundstruktur nicht einfach zu gewährleisten sind. Ein über den beanspruchten Bereich hinausgehender Anteil an Matrix ist aus konstruktiver Sicht nicht notwendig und trägt lediglich zur Massesteigerung bei.
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In einer bevorzugten Ausführung dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen Faserverbundstruktur ist das Aktivmaterial der ersten elektrisch leitenden Faserverbundschicht als Kathodenaktivmaterial ausgestaltet, das einen Volumenanteil an dem elektrochemisch nutzbaren Volumen von 15 % bis 35 %, insbesondere von 20 % bis 30 % und besonders bevorzugt von 23 % bis 27 % aufweist.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführung dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen Faserverbundstruktur ist das Aktivmaterial der zweiten elektrisch leitenden Faserverbundschicht als Anodenaktivmaterial ausgestaltet, das einen Volumenanteil an dem elektrochemisch nutzbaren Volumen von 10 % bis 30 %, insbesondere von 15 % bis 25 % und besonders bevorzugt von 18 % bis 22 % aufweist.
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Der bevorzugt beanspruchte Bereich von Kathodenaktivmaterial und/oder Anodenaktivmaterial ermöglicht eine optimale Speicherkapazität unter Verwendung des verfügbaren Volumens bzw. der verfügbaren Masse des Additivanteils der Faserverbundstruktur.
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In einer Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Faserverbundstruktur ein Leitfähigkeitsadditiv auf, das einen Volumenanteil an dem elektrochemisch nutzbaren Volumen in einem Bereich von 5 Vol. % bis 15 Vol. %, insbesondere von 8 Vol. % bis 12 Vol. %, aufweist In diesem Bereich zeigt der Leitfähigkeitsadditivanteil signifikante Steigerungen der elektrischen Leitfähigkeit der Faserverbundstruktur, ohne die strukturellen Anforderungen zu gefährden.
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In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Faserverbundstruktur liegt ein Elektrolytanteil an dem elektrochemisch aktiven Volumen der elektrisch leitenden Faserverbundstrukturen in einem Bereich von 25 % bis 45 %, insbesondere von 30% bis 40% und besonders bevorzugt von 33 % bis 37 %.
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Der Elektrolyt in den elektrisch leitenden und der elektrisch separierenden Faserverbundschichten ist für die Sicherstellung des Ionentransports innerhalb der Faserverbundstruktur essentiell. Bei einem geringeren Anteil an Elektrolyt in der Faserverbundstruktur könnte der Ionentransport nicht ausreichend gewährleistet sein, was zu einer Leistungsreduktion der in der Faserverbundstruktur integrierten Energiespeicherfunktion führt. Ein über den bevorzugten Bereich hinausgehender Anteil an Elektrolyt führt zu keiner weiteren Steigerung der Ionenleitfähigkeit, sondern reduziert die Anteile, die für die weiteren Additive zur Verfügung stehen, übermäßig. Der Elektrolyt, der in dem beanspruchten Bereich anteilig vorliegt, ermöglicht somit einen optimalen Kompromiss zwischen Leitfähigkeit für Ionen und Kapazität des Energiespeichers, um die Leistung der integrierten Batterie zu optimieren.
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In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Faserverbundstruktur liegt ein Volumenanteil des Elektrolyten an dem elektrochemisch aktiven Volumen der elektrisch separierenden Faserverbundschicht in einem Bereich von 80 % bis 100 %, insbesondere von 90 % bis 100 % und besonders bevorzugt von 95 % bis 100 %.
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Mit einer Verteilung der einzelnen Elemente in den als bevorzugt beschriebenen Bereichen sind Faserverbundstrukturen erreichbar, die speicherbare Energiedichten im Bereich fortschrittlicher Lithiumpolymer- und Lithiumfestkörperzellen ermöglichen, wobei die erfindungsgemäße Faserverbundstruktur gegenüber den typischerweise eingesetzten Zellen zusätzlich die eigentliche mechanische Strukturaufgabe der Faserverbundstruktur übernimmt.
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In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Faserverbundstruktur weist das Aktivmaterial Lithium-Eisen-Phosphat und/oder Lithium-Nickel-Cobalt-Mangan-Oxid und/oder Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminium-Oxid auf.
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Lithium-Eisen-Phosphat und/oder Lithium-Nickel-Cobalt-Mangan-Oxid und/oder Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminium-Oxid eignen sich aufgrund ihrer hohen Energiedichte besonders, eine hohe maximal speicherbare Energiemenge je Bauteilvolumen zu erreichen. In anderen Ausführungsformen sind natürlich auch andere geeignete Aktivmaterialien vorstellbar, die dem Fachmann im Bereich der Batterie- und Akkumulatortechnik zum Speichern von Energie, insbesondere zum Speichern von elektrochemischer Energie, bekannt sind.
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In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Faserverbundstruktur beträgt eine Energiedichte der Faserverbundstruktur mindestens 50 Wh/kg und/oder 100 Wh/dm3.
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Diese Energiedichte bzw. Energiemenge in der Faserverbundstruktur wird durch die erfindungsgemäße Lösung ohne eine signifikante Erhöhung der Masse bzw. des Volumens des Bauteils zu erfordern, durch die Reduktion des Matrixanteils der Faserverbundstruktur ermöglicht. Die erreichbare Energiedichte bzw. Energiemenge dieser Ausführungsform ermöglicht dadurch zusätzlich eine verringerte Komplexität der Produkte, da die Faserverbundstruktur Anforderungen an klassische Batterien hoher Masse einschließlich deren Befestigungselemente ersetzt.
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In einer Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Faserverbundstruktur an einer Außenseite weiter mindestens eine dampfdichte und elektrisch isolierende Grenzschicht auf.
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Durch die dampfdichte und elektrisch isolierende Grenzschicht, die vorzugsweise auf beiden Außenseiten der elektrisch leitenden Faserverbundschichten angebracht ist, sind die häufig feuchtempfindlichen Aktivmaterialien sowie die Oberflächen der Faserverbundstruktur geschützt.
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In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Faserverbundstruktur ist in der ersten und zweiten elektrischen Faserverbundschicht jeweils mindestens ein elektrischer Anschluss einlaminiert. Die elektrischen Anschlüsse dienen zum Schließen des äußeren Stromkreises.
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Die elektrischen Anschlüsse, die in die erste und zweite elektrische Faserverbundschicht einlaminiert sind, ermöglichen eine Energieentnahme an dem Ort des Anschlusses, die mit dem Ort eines Verbrauchers elektrischer Energie abgestimmt werden kann. Somit können verschiedene Subsysteme des Produktes, in das die erfindungsgemäße Faserverbundstruktur eingebaut ist, direkt an dem Ort, an dem die verschiedenen Subsysteme Energie verbrauchen, aus der tragenden Struktur Energie abgreifen. Somit entfallen vorzugsweise komplexe Kabelbäume, einschließlich deren hoher Masse und aufwendiger Montage.
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In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Faserverbundstruktur liegt eine durchschnittliche Partikelgröße des Aktivmaterials unterhalb des Querschnittes der Fasern der ersten bzw. zweiten elektrischen Faserverbundschicht. Derartige Partikelgrößen, die unterhalb des Querschnittes der Fasern liegen, ermöglichen, dass das Aktivmaterial die zwischen den Fasern gebildeten Hohlräume optimal ausfüllen kann.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß ferner durch ein Verfahren zum Herstellen einer Faserverbundstruktur gelöst, wobei die Faserverbundstruktur vorzugsweise eine erfindungsgemäße Faserverbundstruktur ist. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
- - Bereitstellen einer ersten und einer zweiten Faserschicht,
- - Bereitstellen einer dritten Faserschicht aus elektrisch nicht leitenden Fasern,
- - Einbringen eines Aktivmaterials und eines Elektrolyten sowie optional eines Leitfähigkeitsadditivs und/oder eines Binders in die erste und die zweite Faserschicht,
- - Einbringen eines Elektrolyten in die dritte Faserschicht und
- - Herstellen der Faserverbundstruktur durch Laminieren der dritten Faserschicht zwischen der ersten und der zweiten Faserschicht.
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Durch das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren wird somit eine Faserverbundstruktur gebildet, die bei gleichbleibender Leistungsfähigkeit hinsichtlich der strukturellen Belastbarkeit weitere Funktionen, insbesondere eine Speicherfunktion für elektrische Energie, integriert. Die elektrische Energie wird elektrochemisch durch die Aktivmaterialien gespeichert und der Elektrolyt der dritten Faserschicht ermöglicht einen Ionentransport von erster zu zweiter Faserschicht und zurück, wobei die elektrisch nichtleitende dritte Faserschicht einen Elektronentransport zwischen der ersten und zweiten Faserschicht verhindert, der hingegen nur über einen äußeren Stromkreis möglich ist.
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Mit dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren werden somit Faserverbundstrukturen gebildet, mit der sämtliche der oben für die Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Faserverbundstruktur beschriebenen Vorteile erreicht werden. Auf die gleiche Weise sind die Ausführungsformen, die für die Faserverbundstruktur beschrieben werden, auf das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren in vorteilhafter Weise übertragbar.
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In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird wenigstens eine der ersten, zweiten und dritten Faserverbundschicht als Prepreg mit dem Aktivmaterial bzw. dem Elektrolyt vorimprägniert bereitgestellt. Vorzugsweise umfasst die Impregänierung gleichzeitig die Matrix bzw. das Matrixsystem, beispielsweise mit Epoxid oder Cyanat-Ester-Kunstharz, wobei selbstverständlich auch andere geeignete Matrizen bzw. Matrixsysteme einsetzbar sind.
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Bei dem sogenannten Prepreg-Verfahren wird eine Dispersion bzw. Lösung von Partikeln des Aktivmaterials bzw. des Elektrolyten mit Matrixharz angesetzt, in dem das Gewebe bzw. Gelage der Fasern getränkt wird. Insbesondere werden in dem erfindungsgemäßen Verfahren Matrix-Harz und Partikel des Aktivmaterials bzw. des Elektrolyten in einem Lösungsmittel aufgelöst, wodurch eine Flüssigkeit niedriger Viskosität entsteht, die gut in die Fasern eindringt und die Partikel und Matrix gleichmäßig verteilt. Beispiel geeigneter Lösungsmittel sind Isopropylalkohlol und Butanon, wobei natürlich auch andere Lösungsmittel einsetzbar sind. Danach wird das Lösungsmittel verdampft, wodurch eine gleichmäßige Imprägnierung mit Matrix und Batteriematerialien, insbesodnere Aktivmaterial und Elektrolyt zurückbleibt. Dieses „aktive Prepreg“ lässt sich dann ähnlich verarbeiten, wie herkömmliche Prepregs.
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Anders ausgedrückt handelt es sich bei Prepregs um vorimprägnierte sogenannte Fasermatrix-Halbzeuge, die dann zur Herstellung der Faserverbundstruktur unter entsprechender Temperatur und Druck ausgehärtet werden. Prepregs können beispielsweise bahnförmig, auf Rollen gewickelt, vorbereitet werden und ermöglichen damit eine einfache, automatisierte Verarbeitung. Vorzugsweise wird für jede der ersten, zweiten und dritten Faserschicht ein unterschiedliches Prepreg bereitgestellt, also ein Anoden-Prepreg, ein Separator-Prepreg und ein Kathoden-Prepreg, die dann zur erfindungsgemäßen Faserverbundstruktur verarbeitet werden.
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In anderen Verfahren sind auch andere Möglichkeiten des Einbringens der Partikel des Aktivmaterials bzw. des Elektrolyten in die Gewebe bzw. Gelage möglich. Beispielsweise können die Partikel durch Pressen, gegebenenfalls in Kombination mit erhöhter Temperatur zur Verbesserung der Fließfähigkeit, in das Gewebe bzw. Gelage eingefügt werden, wobei das Einbringen der Partikel nicht auf die dargestellten Verfahren beschränkt ist.
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Vorteile der Erfindung werden im Folgenden mit Verweis auf die Ausführungsbeispiele der beigefügten Figuren verdeutlicht. Hierbei zeigen:
- 1 schematisch und exemplarisch einen Querschnitt eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Faserverbundstruktur am Beispiel einer Satellitenstruktur und
- 2A-2C schematisch und exemplarisch eine Faserverbundstruktur und deren Mikrostruktur.
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1 zeigt schematisch und exemplarisch einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Faserverbundstruktur 10, die beispielsweise Teil einer tragenden Struktur eines Satelliten sein kann.
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Die Faserverbundstruktur 10 weist mehrere laminar angeordnete Schichten auf, in diesem Beispiel eine erste elektrisch leitende Faserverbundschicht 20, eine elektrisch separierende Faserverbundschicht 30 und eine zweite elektrisch leitende Faserverbundschicht 40. Die erste und zweite elektrisch leitende Faserverbundschicht 20, 40 weisen in diesem Ausführungsbeispiel elektrisch leitende Kohlenstrofffasern und/oder Kohlenstofffaserrovings 22, 42 als Fasern auf. Die elektrisch separierende Faserverbundschicht 30 weist mechanisch strapazierfähige Glasfasern 32 auf, wobei auch andere nicht elektrisch leitende Fasern verwendbar sind.
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Erfindungsgemäß wird nun durch die geschickte Nutzung des Hohlraumes zwischen den Fasern bzw. Faserrovings 22, 32, 42 durch Batteriematerialien als Additive zusätzlich zu einem Matrixmaterial 28, 38, 48 in den jeweiligen Schichten 20, 30, 40 das Volumen der Faserverbundstruktur zur Integration zusätzlicher Funktionalität, hier der Speicherung elektrischer Energie, genutzt. In der 1 sind zur leichteren Erkennbarkeit schematisch verschiedene geometrische Formen für unterschiedliche, in den Zwischenräumen zwischen den Fasern bzw. Faserrovings 22, 32, 42 angeordnete, Materialien verwendet. Für das Matrixmaterial 28, 38, 48 sind in der Figur schematisch Dreiecke gezeichnet. Für einen Elektrolyt 26, 36, 46 sind schematisch durchkreuzte Quadrate gezeichnet und für ein Aktivmaterial 24, 44 sind schematisch Kreise gezeichnet. Der Elektrolyt 26, 36, 46 und das Aktivmaterial 24, 44 sind Batteriematerialien zum Ermöglichen der Speicherung elektrischer Energie, wie im Folgenden detailliert beschrieben wird.
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Die als beispielhaft Kathode wirkende erste elektrisch leitende Faserverbundschicht 20 weist in den Zwischenräumen zwischen den Kohlenstrofffasern 22 Aktivmaterial 24, in diesem Fall ein Kathodenaktivmaterial, und einen Elektrolyt 26, insbesondere einen Feststoffelektrolyt, auf. Optional weist die erste elektrisch leitende Faserverbundschicht 20 ein Leitfähigkeitsadditiv (in 1 nicht gezeigt) auf, das die Leitung von Elektronen von dem Aktivmaterial 24 zu den als elektrischen Leitern wirkenden Kohlenstrofffasern 22 verbessert. Bei entsprechendem Anteil des Leitfähigkeitsadditivs sind auch elektrisch nichtleitende Fasern denkbar.
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Entsprechend weist die zweite elektrisch leitende Faserverbundschicht 40, die hier beispielweise als Anode ausgeführt ist, zwischen den Fasern 42 Aktivmaterial 44, in diesem Fall ein Anodenaktivmaterial, Elektrolyt 46, insbesondere Feststoffelektrolyt, sowie gegebenenfalls ein Leitfähigkeitsadditiv (nicht gezeigt) auf. Elektrolyt 46 und Leitfähigkeitsadditiv können gleich dem Elektrolyt 26 bzw. dem nicht gezeigten Leitfähigkeitsadditiv der ersten elektrisch leitenden Faserverbundschicht 20 sein, wobei in anderen Ausführungsbeispielen auch voneinander abweichende Elektrolyte bzw. Leitfähigkeitsadditive denkbar sind.
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Die Hohlräume zwischen Aktivmaterialien 24, 44, evtl. Leitfähigkeitsadditiven und Fasern 22, 32, 42 sind mit Elektrolyt 26, 36, 46, insbesondere Feststoffelektrolyt, gefüllt, um die ionische Leitfähigkeit zwischen den Batteriematerialien, insbesondere den Aktivmaterialien 24, 44, sicherzustellen. Als Batteriematerialien werden sämtliche Additive der Faserverbundstruktur 10 verstanden, die die Energiespeicherfunktion bzw. Energieabgabefunktion unterstützen.
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Beide Aktivmaterialien 44, 24 müssen zur Speicherung elektrochemischer Energie basierend auf den gleichen Ionen eingerichtet sind. Zur elektrischen, genauer zur elektronischen, Separation dient die zwischen der ersten und zweiten elektrisch leitenden Faserverbundschicht 20, 40 angeordnete elektrische separierende Faserverbundschicht 30.
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Diese weist neben elektrisch nichtleitenden Fasern 32, insbesondere Glasfasern, einen Elektrolyt 36, insbesondere einen Feststoffelektrolyt, auf. Der Elektrolyt 36 ermöglicht den Ionentransport zwischen der ersten elektrisch leitenden Faserverbundschicht 20 und der zweiten elektrisch leitenden Faserverbundschicht 40 bzw. in umgekehrter Richtung, wobei die Faserverbundschicht 30 gleichzeitig nicht für Elektronen durchgängig ist.
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Innerhalb des gesamten Bauteils sind die Fasern 22, 32, 42 miteinander zur durchgehenden Kraftübertragung verbunden. Damit kann die Tragkraft des Laminats gewährleistet werden, was beispielsweise nicht der Fall ist, wenn ein elektrischer Isolator, der keine Faserverbundstruktur ist, zur elektrischen Isolation eingesetzt würde.
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Schließlich ist eine Grenzschicht 70 gezeigt, die zur äußeren Begrenzung der Faserverbundstruktur 10 zumindest auf den Außenseiten der elektrisch leitenden Faserverbundschichten 20, 30 angeordnet ist. Die Grenzschicht 70 ist dampfdicht und stellt eine elektrische Isolation dar.
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Die erfindungsgemäße Faserverbundstruktur 10 nutzt strukturell ungenutzte Bereiche innerhalb der Faserverbunde auf mikroskopischer Ebene und eine Glasfaserseparationsschicht, um eine Speicherfunktion für elektrische Energie in die Faserverbundstruktur 10 zu integrieren. Für den effektiven Elektronentransport während der Lade- und Entladevorgänge wird die gute elektrische Leitfähigkeit der Kohlenstofffasern 22, 42 ausgenutzt, so dass hierfür vorzugsweise keine weiteren Elemente nötig sind. Um die als Kathode wirkende erste elektrisch leitende Faserverbundschicht 20 von der als Anode wirkenden zweiten elektrisch leitenden Faserverbundschicht 40 bezüglich ihres elektrischen Potentials voneinander zu trennen, liegt zwischen diesen beiden Schichten eine dünne Separationsschicht 30 aus einem mechanisch hochbeanspruchbaren Glasfaserhalbzeug mit entsprechender Funktionalisierung zum Ionentransport, das heißt in diesem Beispiel Glasfasern 32 mit Feststoffelektrolyt 36. Somit sind die Elektroden elektrisch voneinander getrennt, während gleichzeitig eine mechanische und ionische Verbindung der Kohlenstofffaserlaminate erzeugt wird, so dass die lasttragende Funktion der gesamten Faserverbundstruktur 10 nicht verloren geht. Die dampfdichte und isolierende Grenzschicht 70 schützt die feuchtempfindlichen Aktivmaterialien 24, 44, indem sie gleichzeitig die Außenseite der Faserverbundstruktur 10 elektrisch isoliert und die Oberflächen schützt.
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Vorzugsweise wird in die Glasfasern 32 enthaltende elektrische separierende Faserverbundschicht 30 eine oder mehrere zur Datenübertragung ausgestaltete Glasfasern 50 integriert. Diese übernehmen die zusätzliche Funktion der Datenübertragung und werden vor dem Zusammenfügen der Faserverbundstruktur 10, beispielsweise in ein Gewebe oder Gelage aus Glasfasern 32, integriert.
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2A-2C stellen eine Faserverbundstruktur und deren Mikrostruktur mit den Bereichen, welche für eine Integration der in 1 gezeigten Energiespeichermaterialen genutzt werden, schematisch und exemplarisch in verschiedenen Vergrößerungsstufen dar. In 2A ist ein Kohlenstofffasergewebe in vergrößerter Darstellung 110 mit einer typischen Struktur von Faserrovings 122, das heißt der Bündel parallel angeordneter Faserfilamente, gezeigt.
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In 2B ist exemplarisch ein Schliff 120 durch den Faserverbund gezeigt, in dem sowohl die Kohlenstofffaserrovings 122 sowie die dazwischen liegenden, faserfreien Matrixbereiche 124 sichtbar sind.
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Bei in 2C gezeigter weiterer Vergrößerung 130 eines einzigen Rovings 122 sind einzelne Kohlenstofffasern 132 erkennbar, die ebenso wie die übergeordneten Rovings 122 einen Zwischenbereich haben, der durch Matrixmaterial 124 gefüllt ist. Genau die faserfreien Matrixbereiche 124 werden erfindungsgemäß genutzt, um Aktivmaterial 24, 44 Leitfähigkeitsadditiv bzw. (Feststoff)-Elektrolyt 26, 36, 46 einzuführen, und die Speicherfunktion für elektrische Energie zu integrieren.
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Die erfindungsgemäße Faserverbundstruktur mit integrierter Speicherfunktion für elektrische Energie bietet eine höhere Energiedichte und verringerte Komplexität der Produkte, da klassische Batterien hoher Masse und deren Befestigungselemente entfallen können. Das freigewordene Volumen kann für andere Systeme genutzt werden, das Produkt kompakter gebaut werden und Energie für den Betrieb verschiedener Subsysteme kann direkt am Ort des Verbrauchers aus der tragenden Faserverbundstruktur 10 abgegriffen werden. Damit entfällt auch beispielsweise ein komplexer Kabelbaum einschließlich seiner hohen Masse und aufwändigen Montage. Für die integrierte Datenübertragung gilt das Gleiche sowie zusätzlich die Reduktion damit verbundener Fehlerquellen, wie beispielsweise Kabelbrüchen oder Kurzschlüssen.
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Es wurde festgestellt, dass der Matrixanteil üblicher Faserverbundstrukturen bei etwa 40% des Bauteilvolumens liegt. Um die strukturelle Integrität der Faserverbundstruktur nicht zu gefährden, lassen sich bis zu 65 % dieses Matrixanteils für erfindungsgemäße elektrochemische Energiespeicher nutzen. In einem besonders vorteilhaften Beispiel entfallen von dem Aufnahmevolumen des Gesamtfaserverbundes für elektrochemische Energiespeicher 25 % auf das Kathodenaktivmaterial, 35 % auf den Elektrolyt, 10 % auf den Separatorelektrolyt, 20 % auf das Anodenaktivmaterial und 10 % auf weitere Additive.
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Darauf basierend lässt sich beispielhaft die maximal speicherbare Energiemenge im Bauteil berechnen. Für das beispielhafte Lithium-Eisen-Phosphat (Rohdichte 3.600 kg/m3, Energiedichte 544 Wh/kg) als Aktivmaterial ergibt sich ein Wert von 122,4 Wh/dm3 und für Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminium-Oxid (Rohdichte 4.890 kg/m3, Energiedichte 740 Wh/kg) ein Wert von 226 Wh/dm3. Diese Werte liegen im Bereich der heute in der Raumfahrt eingesetzten fortschrittlichen Lithium-Polymer- und Lithium-Ionen-Zellen ohne dass diese Zellen üblicherweise eine Strukturaufgabe mit übernehmen. Üblicherweise eingesetzte Batterien besitzen Energiedichten um 180 Wh/kg bzw. 250 Wh/dm3, die somit in dem beispielhaften Bereich der erfindungsgemäßen Energiespeicher liegen.
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Obwohl die erfindungsgemäße Faserverbundstruktur 10 insbesondere für die Nutzung in Satelliten und Raumsonden beschrieben wurde, bieten sich die erfindungsgemäßen Vorteile hinsichtlich Masse und Volumeneinsparung sowie Funktionsintegration auch in anderen Bereichen der Technik an, beispielsweise in der zivilen Luftfahrt, der Automobilindustrie sowie dem Gebiet der Elektrofahrräder. Beispielsweise kann bei einem Einsatz in der Luftfahrt die Möglichkeit zur lokalen Entnahme von Energie und Daten besonders effizient eingesetzt werden.
