基于硫化镍的染料敏化太阳能电池光伏性能研究染料敏化太阳能电池(DSSCs)是传统硅基太阳能电池最有前途的替代品之一。
虽然传统硅基太阳能电池发展已经趋于成熟，但是由于其制备成本高，生产工艺较为复杂等缺点限制了其发展。
而DSSCs作为第三代太阳能电池，由于其经济又环保的优势，越来越受到工业界和科学界的关注。DSSCs主要由含有氧化还原对的电解质、对电极和吸附染料的半导体薄膜组成的光阳极构成。
其中，对电极作为染料敏化太阳能电池的关键组成部分，有着不可替代的作用。对电极的工作原理是从外电路中收集电子，完成对电解液中处于氧化态的氧化还原电对的还原，促使氧化态的染料分子也被还原，从而实现染料分子再生，保证染料分子能够不断产生电子，推动整个光电化学反应的循环过程。
通常对对电极的评价，主要是看其是否拥有优异的催化活性，能够完成对电解液中氧化还原电对的还原。除此之外，另一个关键就是对电极的电导性。
一般情况下，电荷传输电阻在2Ωcm2到3Ωcm2之间，串联电阻小于20Ωsq－1，光学透过率在550nm波长下为80%，以上具体的参数指标就是理想的对电极需要满足的条件。至今为止，国内外的科研团队已经研发了很多新型对电极材料，包括无机物、导电聚合物、碳材料和合金材料等。
已经成功制备掺杂氧化锌的石墨烯、多孔聚苯胺纳米管、三氧化钨以及碳纳米纤维等对电极材料，但是它们大部分都存在电催化性较低、稳定性能差等缺点。
在这之中，金属铂(Pt)以较高的电导率、良好的稳定性以及优异的催化活性而受到广泛关注，因此成为对电极的常用材料。
但是，Pt不仅容易被含碘的液态电解质腐蚀，长期与其接触后还会分解形成PtI4和HZPtI6，生成的这两种物质是有害物质，不符合绿色环保的要求。而且，由于Pt为贵金属，也会增加DSSCs的生产成本。
因此，寻找并研发能代替Pt的高性能且稳定的对电极材料，是目前很多学者和科研团队的主要目标。
近年来，过渡金属硫化物因其稳定性好、导电性和催化活性优异，受到广泛关注。
目前已经开始应用于存储装置和能量转换领域，已探究了纳米晶、多孔结构、中空结构、纳米片等多种形貌与物相的钴/镍基硫化物对电极。
例如，NiS薄膜具有较高的电催化活性，导致NiS对电极的染料敏化太阳能电池比Pt(6．66%)的光电转换效率高6．95%；基于NiS多孔结构对电极的染料敏化太阳能电池光电转换效率比基于Pt电极的电池效率提高了7%。基于这类硫化物对电极材料的DSSCs拥有着不错的光伏性能，其中基于硫化镍纳米片对电极的DSSCs的光电转换效率达到了7．08%(基于Pt电极的电池效率为7．01%)。
低温沉积法采用简单的试剂和简单的步骤制备对电极材料，不仅可以均匀地沉积整个金属硫化物薄膜，而且不需要使用复杂的耗能过程，符合可持续发展战略需求。
综上所述，对于用低温沉积法来合成硫化物薄膜，并将此硫化物薄膜作为对电极应用到DSSCs中，来提高器件填充因子的相关报道很少。进一步设计构造金属硫化物的形貌和物相以提高催化性能以及填充因子仍是一个富有挑战性的研究方向。
本实验将以乙醇为溶剂，采用低温沉积法在FTO导电玻璃表面制备硫化镍薄膜，并作为对电极应用到染料敏化太阳能电池中，旨在探索硫化镍对电极对DSSCs光伏性能影响。
一、实验方法1．1材料
本研究工作中所使用的化学品均为试剂级。乙醇为整个实验的溶剂。六水合氯化镍、硫代乙酰胺、N719(二(四丁基铵)顺式－双(异硫氰基)双(2，2'－联吡啶－4，4'－二羧酸)钌(Ⅱ))、TiO2浆料(购自武汉晶格太阳能科技有限公司，粒径约为20nm)、电解液
(0．50mol/L4－叔丁基吡啶的乙腈溶液，0．50mol/LLiI，0．30mol/L1，2－二甲基－3丙基咪唑碘，0．05mol/LI2，购自武汉晶格太阳能科技有限公司)。FTO导电玻璃用作制备光阳极和对电级的基底。
1．2硫化镍对电极的制备
采用低温沉积法制备硫化镍对电极薄膜:首先配置0．1M的硫化镍溶液，称取0．3565g六水合氯化镍放入称量瓶中，然后再称取0．1127g硫代乙酰胺放入称量瓶中，接着用移液枪称量15mL无水乙醇，加入称量瓶中。然后将混合溶液放置到磁力搅拌器上搅拌20min，接着再超声溶解10min，之后摇晃10次称量瓶使得溶液完全溶解。在称量瓶中放入一块FTO导电玻璃，使之导电面朝下倚靠在称量瓶的瓶壁。
最后用封口膜将称量瓶封住，将称量瓶放到鼓风干燥箱中，在80℃的环境下加热6h，完成后用乙醇清洗表面，在室温下自然风干，即可得到硫化镍薄膜对电极。
1．3染料敏化太阳能电池(DSSCs)组装
制备的硫化镍薄膜作为染料敏化太阳能电池的对电级与采用标准铂作为染料敏化太阳能电池的对电级形成对比。光阳极的制备以FTO导电玻璃为基片，采用两层3MScoth胶带作为厚度控制层，使用TiO2浆料进行刮涂，经过热处理即可获得TiO2半导体薄膜。
然后将制备的半导体薄膜进行敏化，即在60℃下加热12h(染料敏化剂通常采用N719，配置浓度为0．5mm/L)，完成后就得到了光阳极。在孔径为0．2m2的遮光板上放置光阳极，然后滴加电解液，将制备的硫化镍对电极放到光阳极上，组装成DSSCs。
1．4表征与测试
采用型号为FEIQuantaFEG250的扫描电子显微镜(ScanningElctronMicroscope，SEM)表征硫化镍薄膜的表面形貌。采用型号为PHI5000VersaProbeⅢ的X射线光电子能谱仪(
X-rayPhotoectronSpectroscope，XPS，ULVAC-PHI，Inc．)表征硫化镍薄膜的表面元素及其价态。采用型号为CHI660E电化学工作站表征电池器件的电化学阻抗谱、塔菲尔曲线和循环伏安曲线。
利用Keithley2400源表，通过光电流密度－电压(J－V)曲线表征染料敏化太阳能电池的光伏特性。其中，实验中用到的太阳模拟器(CHF－XM－500W)购自北京泊菲莱科技有限公司。
二、结果与讨论2．1硫化镍薄膜界面分析
为了进一步了解低温沉积法制备的硫化镍薄膜的表面形貌，我们用扫描电子显微镜(SEM)进行观察，图1显示了硫化镍薄膜的低倍和高倍放大的SEM图像。
如图所示，空白的载玻片表面已经完全被硫化镍层所覆盖，硫化镍纳米颗粒在FTO导电玻璃上分布致密且均匀。可以推测，独特的互连形态可能对增强对电极的催化活性具有有益的作用。
我们还发现硫化镍薄膜在FTO导电玻璃上粘附非常牢固，这可能是由于均匀的涂层。除此之外，制备的纳米薄膜轮廓清晰可见，表面覆盖率高，表面缺陷较少，这表明薄膜生长过程良好，进一步说明我们成功制备了硫化镍薄膜。
图2是硫化镍薄膜的X射线能谱分析(EDS)能谱图，从全谱中可以看出，除了Si元素、Mg元素和Au元素的峰之外，Ni元素和S元素都能从谱图上一一对应。
经计算，元素镍和硫的摩尔比近似为1∶1。由此证明本实验成功制备了的硫化镍薄膜，并且证明了制备的薄膜为纯相，没有其他杂质生成。
图2硫化镍薄膜的EDS能谱图为了进一步验证硫化镍薄膜中元素的化学组成和化学价态，我们采用X射线光电子能谱(XPS)进行分析。图3是使用分峰软件XPSPEAK拟合的硫化镍XPS能谱，分析了C(1s)、镍(Ni2p)和硫(S2p)的XPS测量光谱和高分辨率光谱。从图3(a)中可以看出，除了C1s和O1s的峰之外，Ni2p和S2p都能从谱图上一一对应，没有检测到多余的峰，进一步证明了样品是纯相，没有杂质。
C1s和O1s的峰是由于样品暴露在空气中，氧气会氧化样品最外层的部分地方，而且通常我们将C1s作为基准峰进行校准。根据高斯拟合法，图3(b)为C1s的XPS谱图，较高的特征峰位于结合能284．8eV处。
图3(c)为Ni2p的XPS谱图，较高的一对特征峰位于结合能856．6eV和874．3eV处，可归属于Ni2p3/2和Ni2p1/2，由Ni2+产生。图3(d)为S2p的XPS谱图，结合能168．7eV处的特征峰可归属于S2p3/2，这是金属硫化物中典型的金属硫键。从图中可以得到，元素镍主要有+3和+2两个价态，且以+2价为主，元素硫主要以－2价为主。
接着，我们通过计算得到了元素镍和元素硫的原子比近似为1：1。这与SEM和EDS的结果分析一致，均表明制备的是硫化镍薄膜。综上所述，本工作采用低温沉积法已成功构筑出硫化镍薄膜。
2．2染料敏化太阳能电池的光伏性能分析
为了进一步研究低温沉积法制备的硫化镍对电极对三碘化物还原的催化性能，我们采用循环伏安法在相同的条件下，对硫化镍对电极和Pt对电极进行电化学性能测试。
(通常采用三电极稳压器测试系统，三电极包括对电极，工作电极和参比电极，其中常用的参比电极是Ag/Ag+，对电极是Pt。)
图4是Pt对电极和硫化镍对电极的循环伏安特性曲线图(CV)，由图可知，Pt对电极和硫化镍对电极都显示出了两对对称的氧化还原峰。
(式(1)所代表的化学反应对应高电势的一侧，式(2)所代表的化学反应对应低电势的一侧。)
氧化还原峰的对称性越好，代表对电极催化活性越好，从而实现染料敏化剂再生。由于对电极的主要作用是将IEQ \* jc3 \* hps14 \o\al(\s\up 13(－),3)催化还原成I－，所以为了研究对电极对DSSC的光伏性能影响，我们主要研究低电势一侧的氧化还原峰，从而评估对
电极的催化活性。
(公式1)
(公式2)
阴极峰电流密度(|Jred|)越大，就表示对电极的电催化活性越好。
由图4可知，硫化镍的|Jred|值比Pt的|Jred|值大，这表明低温沉积法制备的硫化镍对电极对IEQ \* jc3 \* hps14 \o\al(\s\up 13(－),3)的还原具有优异的催化活性。除此之外，另一个关键参数是氧化峰和还原峰之间的电势差(EPP)，EPP值的大小可以评估对电极对IEQ \* jc3 \* hps14 \o\al(\s\up 13(－),3)还原的反应速率。EPP值越低，代表对电极催化活性越好，可以更快地催化IEQ \* jc3 \* hps14 \o\al(\s\up 13(－),3)的还原。从图中可以看出，硫化镍对电极的EPP值和Pt对电极的EPP值接近，这表明硫化镍对电极拥有较好的催化活性，可以实现对IEQ \* jc3 \* hps14 \o\al(\s\up 13(－),3)的快速还原，有利于染料分子的再生，反应的可逆性较好，从而表现出优异电化学性能，可以与Pt对电极媲美。
为了进一步测定低温沉积法制备的硫化镍对电极对IEQ \* jc3 \* hps14 \o\al(\s\up 13(－),3)/I－氧化还原电对的电催化活性，我们采用两个相同的硫化镍和两个相同的铂电极分别组装成对称器件，并测试其电化学阻抗谱(EIS)。
EIS图谱有三个重要参数，串联电阻(Ｒs)的组成包括电解质溶液的电阻和电极的表面电阻，越小的Ｒs越有利于DSSCs光电转换效率的提高；传荷电阻(Ｒct)主要是指对电极界面和电解质界面的电荷转移电阻，较小的Ｒct代表对电极对IEQ \* jc3 \* hps14 \o\al(\s\up 13(－),3)的还原具有较好的催化活性；
离子扩散电阻(Zw)通常是指电解液中离子的能斯特扩散电阻，较小的Zw代表扩散系数大，离子传输速度快。这些参数可以用来有效解析阻抗谱，分析界面反应动力学过程。
图5是得到的EIS曲线，图中左上角的插图是相应的等效电路图，它可以描述此状态下的电极过程。EIS图谱理论上从高频到低频区有三个半圈，但是由于在我们的研究体系中，使用的电解质粘度较低，离子的流动性较好，扩散阻抗较小，所以通常情况下观察不到低频区的半圆，并且我们研究的重点是对电极和电解质界面，所以只要研究Ｒs值和Ｒct值。
从图中我们可以观察到拟和后的硫化镍对电极和Pt对电极的EIS曲线，Ｒs对应横坐标与曲线的第一个交点，Ｒct对应左边半圆的半径数值。硫化镍对电极的Ｒs值略大于Pt对电极，这有利于电子的传输。硫化镍对电极的Ｒct值与Pt接近，表明制备的硫化镍具有较高的电导率和催化活性。
通过电化学阻抗谱，证明了制备的硫化镍具有优异的电化学性能，有望成为Pt对电极的替代品。
为了进一步评价DSSCs对电极材料的电催化性能，我们采用铂电极和硫化镍对电极分别组装成对称器件，然后分别测试各自的塔菲尔极化曲线。
得到的塔菲尔极化曲线如图6所示，根据过电位由低向高，塔菲尔曲线能够被分为三个区域:极化区、塔菲尔区和扩散区(极化区的过电位|V|＜116mV)。
塔菲尔曲线有两个重要的参数，一个是交换电流密度(J0)，较大的J0值意味着对电极材料对IEQ \* jc3 \* hps14 \o\al(\s\up 13(－),3)的还原具有较高的催化活性，在图中表现为塔菲尔极化曲线的陡峭程度，在某种程度上，曲线越陡，就代表着对电极材料的催化活性越高。
从图中我们可以看出，硫化镍对电极和Pt对电极的陡峭程度接近，这表明制备的硫化镍对电极拥有较好的催化活性。另一个重要的参数是极限扩散电流密度(Jlim)，在图中表现为塔菲尔曲线阴极分支与纵轴的交点，较大的Jlim值意味着电解液中IEQ \* jc3 \* hps14 \o\al(\s\up 13(－),3)具有较大的扩散系数，使得IEQ \* jc3 \* hps14 \o\al(\s\up 13(－),3)的扩散速度较快。塔菲尔曲线的表征结果与电化学阻抗谱表征的结果一致，进一步证明了低温沉积法制备的硫化镍对电极拥有较好的催化活性，应用到DSSCs中拥有较好光伏性能，可以作为替代Pt一种选择。
以铂电极、硫化镍分别作为染料敏化太阳能电池的对电极，进行光电流密度－电压曲线测试。在扫描电压范围为－0．1V～0．8V，扫描速率为40MV/s的条件下，进行光电流密度－电压曲线测试。
基于硫化镍对电极和铂电极的染料敏化太阳能电池的光伏性能对应的J－V曲线如图7所示，表1是两种电池的相关参数，具体参数值是根据光伏性能的相关计算公式得到的。
从表1可知，硫化镍组装的电池短路电流密度(Jsc)为13．2mAcm－2，铂基电池的Jsc为13．6mAcm－2，硫化镍对电极的填充因子(FF)为66．4%，与Pt对电极的FF(68．2%)接近，硫化镍对电极的开路电压为0．699V，与Pt对电极的开路电压(0．665V)也非常接近。
这表明制备的硫化镍薄膜对电极和Pt对电极一样，具有很好的催化活性。这不仅有利于电子在对电极和电解质界面的转移，还有利于电解质溶液中IEQ \* jc3 \* hps14 \o\al(\s\up 13(－),3)/I－的扩散，实现IEQ \* jc3 \* hps14 \o\al(\s\up 13(－),3)的快速还原，有利于染料分子的再生，从而获得良好的光电转化效率。
从图中可知，硫化镍对电极的光电转换效率为6．12%，与Pt对电极的值(6．16%)接近，进一步证明了制备硫化镍对电极有较好的光伏性能。
三、结论总之，本研究以乙醇为溶剂，利用低温沉积法在FTO导电玻璃上成功制备硫化镍薄膜，并将其应用到DSSCs中。
实验方案非常简单，无需高温加热，而且重复性好，通过这种方法制备的硫化镍薄膜不仅分布均匀，而且具有优异的导电性能和催化性能，可以促进IEQ \* jc3 \* hps14 \o\al(\s\up 13(－),3)的快速还原，实现染料分子的再生，从而获得良好的光电转化效率。
除此之外，硫化镍薄膜对电极拥有较好的短路电流密度、开路电压和填充因子，应用到染料敏化太阳能电池中的光电转化效率为6．12%，与Pt(6．16%)媲美，有望成为其替代品。实验结果进一步表明，低温沉积法制备的硫化镍薄膜是制备高性能DSSCs方便有效的方式之一。
（报告出品方/作者：光大证券，贺根，汲萌，黄筱茜）
1、电化学工作站：壁垒高、应用广泛的科研仪器1.1、电化学工作站是电化学研发的强大工具
电化学工作站是电化学测量系统的简称，是电化学研究和教学常用的测量设备。 电化学工作站的本质是控制和监测电化学池的电流和电位，以及其他电化学参数 变化的仪器装置。其将电化学测量系统组成一台整机，内含快速数字信号发生器、 高速数据采集系统、电位电流信号滤波器、多级信号增益、IR 降补偿电路以及 恒电位仪、恒电流仪，可以直接用于超微电极上的稳态电流测量，并且测控不同 情况下的某些电化学参数。将恒电位仪、恒电流仪和电化学交流阻抗分析仪有机 地结合，既可以做三种基本功能的常规试验，也可以做基于这三种基本功能的程 式化试验。在试验中，既能检测电池电压、电流、容量等基本参数，又能检测表 现电池反应机理的交流阻抗参数，从而完成多种状态下电池参数的跟踪和分析。
根据通道个数的不同，电化学工作站可以分为单通道和多通道两种。单通道工作 站主要是在一定时间内只能完成一个样品的参数测量，而多通道工作站可以同时 对多个样品进行参数测量，能有效地提高工作效率。通过与微电流放大器等其他 设备一起使用，电化学工作站的功能可以进行扩展。
三电极体系是电化学工作站较为常见的模式。电化学工作站有二电极、三电极和 四电极体系，其中三电极体系较为常用。三电极电化学工作站包含工作电极、辅 助电极、参比电极这三个电极。其中，工作电极主要用于被测量的未知电极。辅 助电极在工作电极测量的过程中起到辅助作用，与工作电极一起形成闭合回路。 参比电极在工作电极测量的过程中起参考作用。由于参比电极的电势是固定且已 知的，因此可通过求解工作电极与参比电极之间的电势差，来得到工作电极的电 势。
1.2、电化学工作站应用领域多元
电化学发展历史悠久，与多个学科相互促进。电和化学反应相互作用可通过电池 来完成，也可利用高压静电放电来实现，通过电池来完成的作用被称为电化学。 1791 年，伽伐尼发表的金属能使蛙腿肌肉抽缩的“动物电”现象一般被认为是 电化学的起源。20 世纪 40 年代以后，随着电化学暂态技术的应用和发展、电化 学方法与光学和表面技术的联用，人们可以研究快速和复杂的电极反应，提供电 极界面上分子的信息。电化学作为物理化学中比较活跃的分支学科，它的发展与 固体物理、催化、生命科学等学科的发展相互促进、相互渗透。
电化学应用领域多元，电化学工作站的应用场景包括各类科研及工业研究领域。 在现代工业生产中，电化学原理广泛应用于电解工业、机械工业、环境保护等多 个工业生产领域。电化学工作站作为主要应用电化学原理的测量系统，应用场景 包括电化学机理研究、生物技术研究、物质的定性定量分析、纳米科学研究、传 感器研究、金属腐蚀研究、电池研究、电镀研究等多方面。
1.3、乘政策之风，电化学工作站市场存国产替代空间
科学服务业是助力产业升级、保障创新发展的关键行业。科学服务业是为从事科学研究和生产质量控制的企业、高校和研究机构，提供科学服务技术解决方案的服务性行业。行业内公司销售产品包括科研试剂、高端耗材、实验仪器、智能设备、科研信息化、特种化学品等，并提供配套专业技术服务。下游客户覆盖生物医药、新材料、新能源、节能环保、食品日化、分析检测、智能制造、化工化学等多个领域。科学服务业的发展对于下游研发机构提升研发效率、落地研发成果具有明显推动作用，是助力产业升级、保障创新发展的关键性行业。
我国研发经费投入连年高速增长，投入强度仍可提升，科学服务业成长空间广阔。 我国大力实施科教兴国战略，研究与试验发展（R&D）经费支出已连续多年保持 10%以上增速。2021 年，我国研发经费支出 27,864 亿元，比上年增长 14.01%。 此外，以研发经费支出占 GDP 的比重衡量的投入强度逐年稳定提升，由 2015 年的 2.06%提升至 2021 年的 2.44%。但是，与美国、日本等科技强国相比，我 国研发经费支出强度仍有较大提升空间。下游研发经费的巨量投入，为科学服务 市场提供了广阔的成长空间。
受益于政策推动，科学服务行业迎来快速发展期。早在 2015 年，国务院颁布的 《国务院关于国家重大科研基础设施和大型科研仪器向社会开放的意见》提出， 力争用三年时间，基本建成覆盖各类科研设施与仪器、统一规范、功能强大的专 业化、网络化管理服务体系。2017 年科技部、发改委、财政部共同颁布的《国 家重大科研基础设施和大型科研仪器开放共享管理办法》又进一步对科研设施和 仪器的管理进行了规范。“十四五”纲要中再次明确：全社会研发经费投入年均 增长 7%以上、力争投入强度高于“十三五”时期实际。
同时，纲要还提出要推 进科研院所、高等院校和企业科研力量优化配置和资源共享，支持发展新型研究 型大学、新型研发机构等新型创新主体。政策对研发投入的大力支持，将带动科 学服务下游院所高校、科研机构、企业等客户的需求提升，科学服务业迎来政策 机遇期。
国内科学服务业处于蓬勃发展阶段，优质企业迎来国产替代机遇。国内科学服务 业起步较晚，业内公司按经营模式可分为生产制造企业（产品包括试剂、特种化 学品、耗材、仪器等）、贸易企业和综合服务企业。受益于国家科教兴国、科技 强国战略等政策大力支持，产业内公司蓬勃发展，在多个细分领域已涌现出初具规模的国产公司，打破了海外巨头的垄断。与海外巨头相比，国内公司在产品定 制需求契合度、服务响应速度、政策支持等方面具有天然优势。乘着政策东风， 预计行业内具备技术壁垒优势、拥有长期业务经验积淀的优质企业，将在国产替 代进程中显著受益。
电化学工作站市场规模稳步增长，国外企业开拓电化学工作站市场较早，我国企 业奋起直追。根据 QYResearch 数据，全球电化学工作站的产量从 2013 年的 9,054 台增加到 2017 年的 11,194 台，年均增长率为 5.45％。根据 Market Watch 数据，2021 年全球电化学工作站产品市场规模为 2.20 亿美元。随着下游应用领 域的扩展，电化学工作站产品销量持续增长。在竞争格局上，国际企业开始发展 电化学工作站业务较早，在产品上具备较为深厚的积累。我国企业通过加强研发 投入，不断提升产品竞争力和定制化程度。随着电化学工作站下游应用场景逐渐 向中国转移，我国企业有望凭借性价比和售后服务优势导入客户产业链。
2、新能源领域：动力电池、储能市场大有可为2.1、交流阻抗在电池生产质控、服役管理中应用广泛
2.1.1、交流阻抗是电池分析的重要工具
交流阻抗（又称电化学阻抗谱，简称 EIS）是电化学体系分析的重要工具。阻抗 是电路中电阻、电感和电容对交流电的阻碍作用的统称。阻抗为复数，实部称为 电阻，虚部称为电抗，其中电容在电路中对交流电所起的阻碍作用称为容抗，电 感在电路中对交流电所起的阻碍作用称为感抗，电容和电感在电路中对交流电引 起的阻碍作用总称为阻抗。对于“电”体系，阻抗一直是其重要的基本属性。当 电极系统受到一个正弦波形电压(电流)的交流讯号的扰动时，会产生一个相应的 电流(电压)响应讯号，由这些讯号可以得到电极的阻抗或导纳。一系列频率的正 弦波讯号产生的阻抗频谱，即电化学阻抗谱（EIS），又称为交流阻抗。19 世纪 末起，交流阻抗持续应用于电化学体系，并逐渐成为电化学体系分析的重要工具。
交流阻抗在锂离子电池的研究方面具备广泛应用。电池是一个典型的电化学器 件，其也具有阻抗，作为电化学器件，其阻抗具有特殊性。对电池施加交流扰动， 通过对电池上的电压、电流进行时频域分析可以得到阻抗，其反映了离子和电子 在电池不同区域、不同过程运动所受到的阻力。通过对交流阻抗信息的研究，可 以为锂离子电池及其他电池的应用与管理、电化学过程设计及电极材料开发与表 征提供基本依据，最终服务于能量存储与转换器件的设计与开发。
电化学工作站可实现电化学阻抗的测量，国内品牌迅速崛起。电化学阻抗的测量 是实现阻抗应用的关键环节，通常运用电化学工作站等商业设备，作为一类通用 设备，它们在电化学阻抗测量方面支持频率范围宽、测量范围广。当前具备交流 阻抗功能的电化学工作站产品多为国外品牌，如美国普林斯顿 Solartron、美国 Ametek、德国 Gamry、法国 Bio-Logic 等，国内品牌如东华分析近年迅速崛起。
2.1.2、生产质量控制：可用于产线检测，实现生产提效
锂离子电池化成、老化成本在质量控制措施成本中占比较高。基于动力电池的快 速发展，动力电池制造已迈向了 TWh 时代，动力电池的品质也由 ppm 向 ppb 级别提升，因此准确测定产品质量是锂离子电池生产中的关键挑战之一。由于锂 离子电池体系非常复杂，传统的质量控制措施如化成、老化等成本非常高且很耗 时。据 BCG 数据，锂离子电池化成和老化的成本占生产成本的比例高达 32.8%。
通过交流阻抗手段的应用，电化学工作站可用于判断电解液浸润程度、缩短自放 电筛选时间。在电池生产前期，可以通过监测电池的交流阻抗虚部、高频阻抗等， 测量注液后电解液的浸润程度，缩短生产时间，提高生产效率。电池注液后高频 阻抗会随着电解液浸润程度的增加而不断减小。但当电解液加注到一定程度后， 即使继续注液，电池的高频阻抗也不会有太大变化，表明电池内部已充分浸润， 继续加注将导致电解液过量。
根据这一特征，在锂电池注液的过程中监测电池的 交流阻抗，可以判断浸润程度并控制注液量在合适的范围，使电解液充分浸润的 同时避免加注过量。另一方面，锂离子电池自放电筛选直接关系到成组后的电池 组的可靠性，通常而言电池厂商会将锂离子电池常温或者高温存储 7-28 天，通 过检测电压和容量衰降的方式筛选出不同自放电率的电池。英国纽卡斯尔大学的 PierrotS.Attidekou 通过交流阻抗手段的应用，将锂离子电池自放电筛选时间从 数周缩短到了 10min 之内。
2.1.3、服役管理：应用场景众多，可实现无损析锂检测
交流阻抗在电池服役管理中具备多种应用场景。通过对同一电池不同时间交流阻 抗的纵向比较，可以实现对电池的温度估计、老化估计、老化诊断、寿命预测等； 通过对不同电池间交流阻抗的横向比较，可以实现对电池一致性差异的评估、故 障诊断等。
析锂为威胁锂电池寿命的常见问题，交流阻抗在无损析锂检测方面具应用前景。 析锂现象，即充电过程中金属锂在负极表面发生沉积，尤其在大电流及低温条件 下更容易发生。析锂是当前锂电池经常面临的问题，大大降低了电池的寿命，并 限制了快速充电的能力，在严重的情况下，锂镀层会形成锂枝晶，从而渗透到隔 膜中并导致内部短路。快速充电技术的发展对析锂的实时识别提出了更高的要 求，具体如在电池充电时实时检测锂镀层，准确检测和预测锂镀层等。针对析锂 检测，目前业内已提出各种非破坏性检测技术。
2.2、电化学工作站在动力电池、储能领域市场应用具备前景
2.2.1、动力电池市场：可应用于动力电池全生命周期管理
交流阻抗分析在动力电池全生命周期管理中用途广泛。当前，交流阻抗分析已逐 步走出实验室研究阶段，拓展出了大量的应用前景，如电池设计制造环节的材料 特性、平衡体系分析及工艺控制，电池服役器件的寿命估计及预测、安全评估及 预警、故障诊断，电池梯次利用及回收中的残值评估、安全评估、分选等。
2.2.2、电化学储能市场：市场空间广阔，催生安全管理需求
电化学储能是当前主流新型储能技术。在抽水蓄能外的新型储能技术中，电化学 储能最为主流且技术相对成熟。根据 CNESA 数据计算，截至 2021 年，新型储 能在我国电力储能市场累计装机规模中占比为 12.5%，而电化学储能在新型储 能中占比为 96.7%。因此，截至 2021 年，电化学储能累计装机规模在储能市场 中占比约为 12.09 %。各类储能方式中：抽水蓄能、压缩空气和熔融盐储热主要 适用于长时储能。其中抽水蓄能当前最为成熟，但存在一定的地理约束；压缩空 气技术进步较快；熔融盐储能主要作为光热电站的配套设施。锂电池优势在于 4h 以下储能，但长期需要考虑锂资源约束。液流电池优势在于 8h 以上的长时储 能，钒电池对温度要求低。超级电容和飞轮储能主要用于调频。
“十四五”期间我国新型储能装机规模有望达到 30GW 以上。据 CNESA 统计 数据，2016-2021 年，我国电化学储能累计装机规模始终保持 50%以上的同比 增速，截至 2021 年底，在各种储能方式中，我国电化学储能累计装机规模仅次 于抽水蓄能，位列第二，为 5541MW，同比增长 69%。2022 年 4 月，国家发改 委、国家能源局下发的《关于加快推动新型储能发展的指导意见（征求意见稿）》 提出，到 2025 年，实现新型储能从商业化初期向规模化发展转变，装机规模达 到 30GW 以上；到 2030 年，实现新型储能全面市场化发展，成为能源领域碳达 峰碳中和的关键支撑之一。
安全事故是电化学储能行业亟待解决的问题。据 CNESA 不完全统计，近十年全 球储能发生安全事故 60 余起。2021 年全球储能市场崛起，大规模储能项目越来 越多，储能安全隐患也随之增大。2021 年-2022 年 4 月，全球共发生 18 起储能 项目事故。从已披露的储能电站事故报告看，电池管理系统（BMS）早期未监测 到电池内部故障，引发热失控，是引发事故的重要原因，其他重要因素还包括： 电站缺少气体监测装置和通讯系统；BMS、PMS（电源管理系统）、EMS（能 量管理系统）之间信息不能共享，数据无法发挥其最大价值，BMS 与 PCS（功 率变换系统）控制器的信息交互程度较弱，协同控制能力不足。
电化学储能电站的安全管理受到国家政策的高度重视。2022 年 5 月 25 日，国 家能源局综合司发布《关于加强电化学储能电站安全管理的通知》，通知从高度 重视电化学储能电站安全管理、加强电化学储能电站规划设计安全管理、做好电 化学储能电站设备选型、严格电化学储能电站施工验收、严格电化学储能电站并 网验收、加强电化学储能电站运行维护安全管理、提升电化学储能电站应急消防 处置能力七个方面对电化学储能电站安全提出了具体措施。其中，加强电化学储 能电站运行维护安全管理中，明确提出了要定期开展主要设备设施及系统的检 查，规范电站、电池的退役管理等要求。电化学工作站作为一种高效的检测工具， 有望从中受益。
市场需求测算：2026 年我国电化学工作站在储能领域的需求空间为 28 亿元。 1）据 CNESA 预测，保守场景下，2026 年我国新型储能总装机将达到 48.5GW， 2020-2026 年复合增长率为 53.3%，我们参考该预测对 2022-2026 年我国新型 储能累计装机规模进行假设。 2）根据 CNESA 数据计算，截至 2021 年，我国电化学储能在新型储能中占比为 96.7%。我们谨慎假设 2022-2026 年我国电化学储能累计装机规模占新型储能 累计装机规模的 90%。 3）参考海辰储能 20 英尺集装箱式储能系统，我们假设储能电站单个集装箱额 定功率 0.63MW，单集装箱需配备 1 台电化学工作站。 4）根据仪器信息网，公司电化学工作站产品价格范围大部分在 3-5 万元/台，据 此假设电化学工作站单价为 4 万元/台。
3、东华测试：业务发展迅速，产品应用广泛3.1、电化学工作站国产企业，盈利能力增强
7 年磨一剑，技术同源，公司实现国内研发零的突破。目前国产电化学工作站所 使用的电路板、电极等电子部件，有 70%以上使用国外产品，因而可靠性与稳 定性不高，国内高端电化学站产品主要依赖进口，代表国外品牌如美国普林斯顿、法国Bio-Logic等。电化学工作站与公司传统结构力学测试仪器的技术本质均是 数据采集与分析，公司依靠在测试技术及应用领域多年的技术积累，历经7年研发，成为我国成功研制电化学工作站产品的企业之一。
营收净利双增长，业务进入快速成长期。受益于科研仪器赛道自主可控趋势，公 司所处行业国产化需求不断提高，公司进入快速成长期。公司2021年营收为2.57 亿元，同比增速 25.22%，2022H1 营收为 1.40 亿元，同比增速 36.84%。公司 净利润也呈现稳步增长态势，2021 年净利润为 0.80 亿元，同比增长 58.91%， 2022H1 净利润为 0.27 亿元，同比增速达 73.59%。随着各大业务板块齐发力， 公司营收净利有望实现进一步增长。
费用管理能力增强，盈利能力持续提升。2022H1 公司毛利率为 66.16%，同比 提升 0.92 个百分点。公司提升运营效率，通过精益化管理降低期间费用率，整 体盈利能力继续呈现上升，净利率同比增长。公司 2022H1 净利率为 19.25%， 同比提升 4.08 个百分点，其中销售、管理、研发费用率分别同比下降 3.32、0.95、 1.12 个百分点。
3.2、产品应用领域广泛，科研客户众多
公司的电化学工作站业务主要由全资子公司东华分析开展。公司全资子公司江苏 东华分析仪器有限公司依托母公司在测试技术及应用领域的二十多年的技术积 累，专注于电化学工作站的研发、生产和电化学运用研究。公司的电化学工作站 产品通过测量组成的电化学电池待测物溶液所产生的电特性而进行分析，具备 nafion 膜离子电导率测试、双极板腐蚀测试、催化剂性能测试、氧还原测试、 析氢测试、I-V 曲线测试、单体电池阻抗测试、燃料电池堆动态阻抗测试等上百 种测试功能，是电化学分析测试、腐蚀过程分析、新能源电池性能分析等方面化 学反应过程研究必不可少的智能测试分析科学仪器。
公司 DH7000 系列电化学工作站产品应用领域广泛。公司经过 7 年的研发积累， 技术已经成熟，拥有 DH7007（支持无限多通道扩展）、DH7008（便携式测试 系统）等系列产品。公司的 DH7000 系列电化学工作站产品应用领域广泛，可 用于电化学分析、腐蚀与防护研究、新能源研究、材料研究、生物研究、教学应 用等多个领域。目前下游应用标准化需求较多，会基于客户流水线需求定制具备 某一特定功能的产品，预计未来定制化需求会逐步增加。
当前公司电化学工作站产品的市场拓展方向主要为科研领域、企业配套服务。销 售模式方面，目前公司以销售产品系统为主，会支持和配合客户做相关实验。市 场拓展方面，一方面是针对高校、科研机构、企业研发机构等销售科研仪器；另 一方面是做企业的配套服务，如产线检测、质量控制等，目前正积极对接合作， 沟通具体测试参数。作为国产高端科学仪器产业化的成功实践者，公司产品已广 泛应用于国内知名高校及研究所。
3.3、核心技术自主研发，新能源领域应用不断开拓
公司交流阻抗技术实力优异，电化学工作站产品优势突出，与国外竞品对比性价 比高。公司的电化学工作站相关核心技术拥有完全的自主知识产权，是能够自主 研发、制造包括适调器、数据采集仪和分析软件全系列产品的供应商，产品的功 能及性能指标在国内处于领先地位。公司的 DH7000 系列电化学工作站产品采 用国际先进的单正弦技术，确保施加到电解池的振幅始终和设定值保持一致，阻 抗测试时能够消除电极线带来的误差，较大地提高了 EIS 测试精度，交流阻抗频 率可达 10MHz。
产品实验方法齐全，实验设置灵活，具备信息提示、外部联用、 二次开发接口等辅助功能，同时还可提供序列/循环实验过程中数据自动导出功 能，可极其简便地实现数据处理、将数据导入到各种数据分析处理软件，还具备 DC 数据分析及曲线拟合等功能。与国外产品相比，产品性能可达到同类产品水 平，而价格远低于国外产品。
当前公司电化学工作站产品主要用于储能领域。一方面是实现新能源电池性能优 化，通过测量组成的电化学电池待测物溶液所产生的电特性而进行分析，对储能 电池化学反应的过程进行检测，实现最优的化学反应；另一方面是储能电站安全 性在线监测，电化学工作站可以对交流阻抗、电池的内阻进行测量，通过交流阻 抗的变化提前预知不安全因素，提升储能电站的安全性。公司已掌握相关核心技 术，可根据客户需求针对性研发特定产品。此外，公司产品还可用于梯次利用电 池筛选、充电桩安全性测试等动力电池领域。
公司新能源领域产品研发不断取得突破，应用领域拓展至电池生产产线检测。新 能源领域应用是公司电化学工作站产品的重点研发方向。截至 2021 年底，公司 的多个主要电化学工作站产品研发项目已取得积极进展，这些项目均应用于新能 源领域，其应用场景包括工业现场的储能锂电堆的智能化监测，高阻腐蚀体系、 固态电解质等能源领域研发，腐蚀和能源领域研究等，并已在生产和客户匹配方 面稳步推进。其中，DH7000C 电化学工作站可用于电池生产产线上的漏电流、 分容等电化学测试，已经完成批量生产，向高校和研究所、电池生产厂家推广。 除硬件研发外，公司还研发了阻抗分析拟合软件，可为客户提供一站式交流阻抗 的拟合分析。
公司产品广泛用于科研机构、企业客户的电池研发测试。公司的电化学工作站产 品，被广泛运用于下游客户的各类电池研发测试需求。客户既覆盖中科院研究所、 各大高校等科研机构，也包含各类新能源企业客户。
4、盈利预测根据产品应用的角度划分，公司收入可以划分为三大类：传统结构力学业务、PHM系统业务、电化学工作站。
我们对于各项业务的收入预期假设为： 1、 结构力学业务：公司作为结构力学性能测试仪器的领导者，技术实力在国内 处于领先地位，能够满足下游客户的科研需求和多元化需求。2019 年开始， 公司战略重心放在市场开拓方向，搭建全新的销售体系，销售人员也得到快 速扩充。2020-2021 年，受疫情影响，收入增长有所放缓。受益于“十四五” 下科研服务赛道国产化进程推进，公司结构力学业务稳步增长，广泛应用于 航天航空、车辆船舶、土木建筑、工程机械、能源电力等多个领域并持续获 得订单。随着公司逐步克服疫情影响，业务有望实现高增长。
此外，在我国 军工推动装备自主可控的大背景下，军工业务高景气。公司获得某部的飞行 器供油自定义测控分析系统项目的采购合同订单，业务发展进一步突破。我 们预期公司 2022 年收入有望实现 50%的增长。随着业务规模增大，业务增 速放缓，我们预测 2023-2024 年营收增速维持 20%。公司产品结构近年来 持续得到优化，毛利率较高的动态信号测试分析系统占比不断提高，因此我们预计公司毛利率有望延续提升的趋势，假设 2022-2024 年毛利率分别为 68.00%、68.50%、69.00%。
2、PHM系统业务：公司PHM产品在军工和民用领域同步拓展，发展潜力较大。在民用方面，公司PHM产品应用领域多元，在国产替代趋势下持续获得订单。在军用方面，随着我国军工装备加速列装和产品的持续升级，PHM产品将会持续推进在舰船、无人机、航空发动机等多领域的应用，并新增矿业等应用场景，业务快速发展，我们预测2022年该业务营业收入同比增速为165%。随着业务规模扩大，我们预测2023-2024年营收增速会放缓至 65%、60%。由于军工领域的毛利率较高，随着军工占比的提升，毛利率相应也有望稳步上行，因此我们假设PHM系统业务2022-2024年毛利率分别为67.00%、67.50%、68.00%。
3、电化学工作站：公司积极推动电化学工作站产品在新能源等领域的研发， 2021 年电化学工作站业务实现营收 0.19 亿元，同比增长 825%。随着公司 研发项目的推进，DH7000系列产品有望逐步实现储能锂电堆的智能化监测、 电芯模组的交流阻抗测量等功能，满足高腐蚀体系、固态电解质等能源领域 的测量需求。伴随着电化学工作站产品逐步进入新能源客户产业链，有望实 现进一步放量。由于该业务营收基数较低，我们预测该业务有望维持较高的 增速，2022-2024 年营收增速为 175.00%、106.00%、52.00%。随着电化 学工作站产品销量增加，有望逐渐实现规模化生产，带动毛利率上升，我们 预测该业务 2022-2024 年毛利率为 71.00%、71.50%、72.00%。
（本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息，请参阅报告原文。）
精选报告来源：【未来智库】