Development of an Analytical Proof of Origin Method for Natural Graphite Deposits

Titel in Übersetzung: Entwicklung einer analytischen Herkunftsnachweismethode für natürliche Graphitvorkommen

Valentina Elisa Dietrich

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

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Abstract

Graphit gilt aufgrund seiner bedeutenden Rolle in verschiedenen industriellen Anwendungen, wie der Stahl- und Feuerfestindustrie, als wichtiger und auch kritischer mineralischer Rohstoff. Die aktuell signifikanteste Anwendung dieses Rohstoffs liegt aber in der Batterieerzeugung. Graphit ist eine entscheidende Komponente in Lithium-Ionen-Batterien, die weit verbreitet in Elektrofahrzeugen und anderen elektronischen Geräten eingesetzt werden. Die Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien steigt rapide an, somit auch die Nachfrage nach Graphit und damit auch das Interesse an der Herkunft dieses Rohstoffs. Eingebettet in ein Projekt zur Rückverfolgbarkeit von Batterierohstoffen zielt diese Arbeit darauf ab, die Transparenz und Zuverlässigkeit komplexer Lieferketten für Graphit zu stärken. Die Studie entwickelt einen analytischen multiparametrischen Ansatz, um Graphitproben aus verschiedenen globalen Lagerstätten, einschließlich Länder, die wesentlich zur Graphit-Weltproduktion beitragen, zu unterscheiden. Stabile Kohlenstoffisotope dienen als primärer Parameter zur Unterscheidung zwischen den unterschiedlichen Kohlenstoffquellen und Graphittypen. Flocken- und amorpher Graphit, der aus organischen Materialien stammt, kontrastiert mit hydrothermalem Graphit. Drei Probenkategorien, die voneinander unterschieden werden können, wurden identifiziert: Ukraine, Sri Lanka und RoW (Rest der Welt). Das Raman-Spektrum von Graphit ist charakteristisch für seinen mikrostrukturellen Zustand und dient als Grundlage für die Berechnung der Metamorphosetemperaturen während der Graphitbildung. Die Struktur von Graphit wird jedoch auch durch Verarbeitung (Brechen, Mahlen) verändert und repräsentiert nicht nur die natürliche Struktur des Materials. Mit Raman Spektroskopie kann amorpher Graphit von den anderen Graphittypen (Flockengraphit und hydrothermaler Graphit) unterschieden werden. Die Spurenelementanalyse kann potenziell die Herkunft des Graphitkonzentrates auf der detailliertesten Ebene, der Lagerstätte, unterscheiden. Der geografische Ursprung einzelner Lagerstätten kann durch charakteristische Spurenelemente (einschließlich V, Mo, Cr, Co, Cu, Ga, As, Rb, Sr, Ba und REE-Muster) analysiert durch induktiv gekoppelte Plasma-Massenspektroskopie (ICP-MS) zurückverfolgt werden. Die Entwicklung von Methoden für lösungsbasierte Analysen war aufgrund der Herausforderungen bei der vollständigen Auflösung von Graphit, bedingt durch die robusten Kohlenstoffschichten, notwendig. Laser Ablation-ICP-MS bietet eine weniger zeit- und kostenintensive Methode, erforderte jedoch ebenfalls eine signifikante Methodenentwicklung für die Probenvorbereitung und Kalibrierung. Die Ablation von sehr feinkörnigen komprimierten Materialien und das Fehlen von Referenz- und Kalibrierungsmaterialien stellten erhebliche Herausforderungen dar. Ein erheblicher Anteil der Spurenelemente in Graphitkonzentraten ist mit Verunreinigungen und begleitenden mineralogischen Komponenten verbunden. Diese Verunreinigungen können durch die Anwendung fortschrittlicher statistischer Methoden und Datenverarbeitungstechniken identifiziert und abgegrenzt werden. Analytische Herkunftsnachweismethoden (APO) gelten als manipulationssicher, da sie sich direkt auf die chemische Zusammensetzung des Rohmaterials beziehen und ein erhebliches Potenzial für Verifikations- und Kontrollzwecke bieten. Im Gegensatz zu Methoden wie Dokumenten, künstlich hinzugefügten Materialien oder Tracern, QR-Codes und Barcodes, die manipuliert oder gefälscht werden können, bieten APO-Methoden eine robuste Möglichkeit zur Authentifizierung von mineralischen Rohstoffen. Die entwickelte APO-Methodik dient zur Unterstützung der Implementierung von Lieferkettengesetzen und Batterieregulatorien in der Graphitindustrie.
Titel in ÜbersetzungEntwicklung einer analytischen Herkunftsnachweismethode für natürliche Graphitvorkommen
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Gradverleihende Hochschule
  • Montanuniversität
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Melcher, Frank, Betreuer (intern)
  • Meisel, Thomas C., Beurteiler A (intern)
  • Lehmann, Bernd, Beurteiler B (extern), Externe Person
  • Groß, Doris, Mitbetreuer (extern)
DOIs
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2024

Bibliographische Notiz

nicht gesperrt

Schlagwörter

  • Graphit
  • Herkunftsnachweis
  • Geochemie

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