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... [Show More] renewable energy storage, transportation, and consumer devices. By using simplified classroom-tested methods developed while teaching the subject to engineering students, the author explains in simple language an otherwise complex subject in terms that enable readers to gain a rapid understanding of battery basics and the fundamental scientific and engineering concepts and principles behind the technology. This powerful tutorial is a great resource for engineers from other disciplines, technicians, analysts, investors, and other busy professionals who need to quickly acquire a solid understanding of the fast emerging and disruptive battery landscape.
Introduction ........................................... 1
1.1 Galvanic Cells . . ................................... 1
1.2 Types of Batteries ................................... 2
1.3 Energy Conversion in Batteries ......................... 3
1.4 Battery Components . . . .............................. 4
1.5 Principle of Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.6 Electrode Selection .................................. 7
1.7 Calculating Battery Cell Voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.8 Battery Cell Voltage and Nernst Equation . . . . ............. 9
1.9 Electrolyte for Batteries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.10 Gibbs-Free Energy and Battery Voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.11 Theoretical Battery Capacity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.12 Practical Energy of a Battery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.13 Specific Energy and Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.14 Battery Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2 Operational Factors of Battery Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.1 Performance Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.2 Battery Voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.3 Secondary Battery Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.4 Battery-Limiting Factors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.5 Battery Current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.6 Modes of Discharge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.7 Discharge Current Effect on Voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.8 Discharge Current Effect on Capacity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.9 The Effect of Temperature on Battery Performance . . . . . . . . . . . 34
2.10 Self-Discharge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.11 Calendar and Cycle Life . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.12 Internal Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.13 Safety . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.14 Battery Selection . . .
3 Lead–Acid Batteries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.1 Overview and Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.2 Principle of Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.3 Types of Lead–Acid Batteries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.4 Cell Components and Fabrication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.5 Failure Modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.6 Charge Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.7 Discharge Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.8 Electrolyte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.9 State of Charge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.10 Capacity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.11 Cycle Life . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.12 Self-Discharge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4 Nickel–Cadmium Batteries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.1 Overview and Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.2 Principle of Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.3 Reactions During Overcharge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.4 Voltage During Charge and Discharge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.5 Charge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.6 Discharge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.7 Effect of Temperature on Discharge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.8 Polarity Reversal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.9 Cycle Life . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.10 Self-Discharge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.11 Memory Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.12 Cell Components and Failure Modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
5 Nickel–Metal Hydride Batteries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
5.2 Principle of Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
5.3 Negative Electrode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
5.4 Charge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
6 Lithium Batteries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
6.2 Early Lithium Batteries: Li Metal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
6.3 Current Lithium Batteries (Li–Ion) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
6.4 Future Lithium System (Li–Air and Li–S) . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
6.5 Cell Components and Fabrication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
6.6 Charging . . . . . . . . . . . . . . .
6.7 Discharge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
6.8 Cycle Life . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
6.9 Self-Discharge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
6.10 Operational Challenges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
Epilogue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 [Show Less]