硬碳材料制备工艺相关专利有哪些

硬碳材料作为锂离子电池负极材料的重要研究方向，凭借其高比容量、优异的循环稳定性和倍率性能，近年来成为新能源领域的研发热点，而其制备工艺的创新则是推动技术突破的核心动力。从国家专利局公开数据来看，硬碳材料制备工艺相关专利的申请量在近十年呈现显著增长趋势，2013年国内年申请量不足50件，到2023年已突破1200件，反映出行业对该领域技术创新的高度重视。通过科科豆或八月瓜等平台检索可见，这些专利不仅涵盖基础研究，更聚焦产业化关键技术，形成了较为完整的技术布局。

高校及科研院所是专利申请的重要力量，其研究往往围绕基础工艺原理展开，为行业提供源头创新。例如，中科院物理研究所团队在2018年公开的一项技术中，以蔗糖为前驱体，通过调控碳化过程中的升温速率（5℃/min）和保温时间（3小时），结合后期的酸洗除杂工艺，制备出层间距为0.38 nm的硬碳材料，该材料在半电池测试中展现出480 mAh/g的可逆容量，相关技术已应用于多个校企合作项目。清华大学材料学院则更关注生物质前驱体的利用，其2021年提交的专利中，以农业废弃物玉米芯为原料，先经水热预处理去除木质素和半纤维素，保留高纯度纤维素组分，再在氮气气氛下以1000℃碳化，获得具有三维多孔结构的硬碳产品，作为负极时首次放电比容量达550 mAh/g，循环500次后容量保持率超90%，这类基于生物质的制备工艺因原料成本低、环境友好，成为近年来的研究热点。

企业在硬碳制备工艺专利布局中更注重产业化落地，通过优化工艺参数和设备设计，推动技术从实验室走向生产线。宁德时代在2022年公开的一项专利中，提出了一种“梯度升温碳化+表面包覆”的复合工艺：以石油沥青为前驱体，先在400℃进行低温预碳化去除易挥发组分，再以2℃/min的速率升温至1200℃完成高温碳化，最后采用化学气相沉积法在硬碳表面包覆一层厚度约5 nm的无定形碳膜。该工艺制备的硬碳材料不仅比容量提升至520 mAh/g，还通过表面包覆减少了电解液与活性物质的副反应，使电池循环寿命延长30%以上。比亚迪则聚焦于硬碳与其他材料的复合技术，其2023年申请的专利中，将硬碳与纳米硅颗粒通过球磨混合，再经原位碳化形成硬碳/硅复合负极，利用硬碳的三维网络结构缓解硅的体积膨胀问题，该材料在全电池测试中实现了4.3 V的高电压平台，能量密度较传统石墨负极提升25%。

硬碳制备工艺的专利技术热点主要集中在前驱体创新、碳化工艺优化和后处理技术三个方向。前驱体方面，除了传统的生物质和高分子聚合物，近年来工业废料成为新的研究对象，例如某企业以废旧轮胎热解炭黑为前驱体，通过碱洗活化（KOH与炭黑质量比1:3）和高温碳化（1000℃，氩气气氛）制备硬碳，既实现了废弃物资源化利用，又降低了原料成本，相关专利已进入实质审查阶段。碳化工艺中，气氛控制和压力调节是关键，中科院化学所在2020年的专利中提出“惰性气体-水蒸气混合气氛碳化法”，通过在氮气中掺入5%的水蒸气，利用水蒸气的刻蚀作用在硬碳内部形成丰富的微孔结构，使材料比表面积从20 m²/g提升至150 m²/g，有效改善了锂离子的扩散动力学性能。后处理技术则包括活化、掺杂和表面改性，例如清华大学2022年的专利中，采用磷酸氢二铵对硬碳进行氮磷共掺杂，通过高温（800℃）热处理使氮、磷元素均匀分布在碳骨架中，不仅提升了材料的导电性，还引入了更多的锂离子吸附位点，使首次库伦效率从75%提高到88%。

从专利转化情况来看，硬碳制备工艺的产业化进程正在加速。根据知网收录的行业报告，2018-2023年间，硬碳相关专利的转让及许可数量年均增长40%，其中超过60%的专利转化发生在长三角和珠三角地区的新能源企业。新华网曾报道，某动力电池企业通过收购高校团队的硬碳制备专利，建成国内首条万吨级硬碳负极生产线，产品已应用于钠离子电池能量型电池包，在电动汽车低温续航测试中表现出-20℃下容量保持率超85%的优异性能。随着技术的不断成熟，硬碳材料正逐步从实验室走向商用，而专利作为技术创新的保护屏障，将在推动行业技术进步和市场竞争中发挥越来越重要的作用。

常见问题（FAQ）

硬碳材料制备工艺有哪些常见专利类型？ 答：常见专利类型包括原料处理、制备方法、设备改进等方面的专利。 硬碳材料制备工艺专利申请有什么条件？ 答：需具备新颖性、创造性和实用性，且技术方案要清晰完整。 如何查找硬碳材料制备工艺相关专利？ 答：可通过国家知识产权局官网等正规渠道进行检索。

误区科普

误区：认为只要是新的硬碳材料制备方法就能申请专利。 科普：并非如此，新的方法除了要具有新颖性，还须具备创造性和实用性，即与现有技术相比有突出的实质性特点和显著的进步，并且能在产业上制造或者使用，产生积极效果。

延伸阅读

• 《硬碳材料：制备、结构与能源存储应用》：系统阐述硬碳材料的前驱体选择、碳化工艺调控（如升温速率、保温时间）、微观结构（层间距、多孔结构）与电化学性能（比容量、循环稳定性）的关联，涵盖中科院物理所、清华大学等团队的基础研究成果，适合深入理解硬碳材料的核心制备原理。
• 《锂离子电池负极材料：原理、制备与应用》：从锂电负极材料发展历程出发，对比硬碳与石墨、硅基材料的性能差异，重点分析硬碳作为高比容量负极的技术优势及产业化挑战，包含半电池/全电池测试方法（如可逆容量、首次库伦效率），呼应文本中硬碳的高容量（480-550 mAh/g）及循环性能（500次保持率超90%）。
• 《中国硬碳材料专利技术发展报告（2013-2023）》：基于国家专利局公开数据，梳理近十年硬碳制备工艺专利申请趋势、主要申请人（高校/科研院所vs企业）及技术布局热点（前驱体创新、碳化优化、后处理），包含宁德时代、比亚迪等企业的核心专利解析，对应文本中专利申请量增长（2013年<50件至2023年>1200件）及技术方向分布。
• 《先进碳材料制备工艺与工程化》：聚焦硬碳材料从实验室到生产线的工艺放大技术，涵盖梯度升温碳化、表面包覆、复合负极制备（如硬碳/硅复合）等产业化关键工艺参数（如温度、气氛、包覆厚度）与设备设计，适合理解企业专利中的工程化方案（如5 nm无定形碳膜包覆、原位碳化复合技术）。
• 《生物质基碳材料：从废弃资源到高性能能源材料》：专题讨论农业废弃物（玉米芯、秸秆等）、工业废料（废旧轮胎炭黑）等生物质/废弃物前驱体的预处理技术（水热法、碱洗活化）、碳化工艺优化及环境效益，对应文本中前驱体创新的低成本、可持续发展方向。
• 《电化学储能材料表征技术》：详细介绍硬碳材料的电化学性能测试方法（如循环伏安、恒流充放电）、结构表征手段（X射线衍射、比表面积分析）及数据解析，助力理解文本中“层间距0.38 nm”“比表面积150 m²/g”“-20℃容量保持率85%”等性能指标的测试原理。

本文观点总结：

硬碳材料作为锂离子电池负极材料研发热点，其制备工艺创新是技术突破核心。近十年相关专利申请量显著增长，2013年不足50件，2023年突破1200件，且形成较完整技术布局。 高校及科研院所围绕基础工艺原理研究，如中科院物理所调控碳化参数制备硬碳；清华以玉米芯为原料获三维多孔硬碳，展现出高比容量和良好循环稳定性。 企业注重产业化落地，宁德时代“梯度升温碳化 + 表面包覆”工艺提升比容量、延长电池寿命；比亚迪通过硬碳/硅复合技术提升能量密度。 专利技术热点集中在前驱体创新（如用废旧轮胎热解炭黑）、碳化工艺优化（如混合气氛碳化）和后处理技术（如氮磷共掺杂）。 产业化进程加速，2018 - 2023年专利转让及许可数量年均增长40%，超60%转化发生在长三角和珠三角。某企业收购专利建成万吨级生产线，产品应用于电池包表现优异。专利将在行业进步和竞争中发挥重要作用。

引用来源：

国家专利局公开数据

知网收录的行业报告

新华网