Handbook of Photovoltaic Science and Engineering

Figure 18.7
Practical specific volumetric energy density (Wh/l) versus specific gravimetric energy
density (Wh/kg) for various secondary battery technologies (data from Table 18.4)
The specific energy densities of batteries are an important parameter to characterise
the different battery types. For logistic reasons on supplying the batteries to the systems,
gravimetric and volumetric energy densities are a relevant cost factor also for autonomous
power supply systems. Figure 18.7 shows an overview of the energy densities of different
secondary battery technologies based on an analysis of commercially available products.
The figure does not show the theoretical limits of the different technologies.
Table 18.4 gives an overview of the most important properties of several sec-
ondary electrochemical accumulators. A more detailed description is given on the NiCd
(Section 18.4.2), the nickel-metal hydride (NiMH) (Section 18.4.3), the RAM (Section
18.4.4) and the Lithium batteries (Section 18.4.5) as well as on the double-layer capaci-
tors (Section 18.4.6). Lead acid batteries are treated in greater detail in Section 18.4.7. All
other battery types have no relevance in the field of autonomous power supply systems.
Details on all primary and secondary batteries can be found in [2].
18.4.2 NiCd Batteries
NiCd batteries have been available as a commercial product for many decades and are
well-proven products. They have very good properties concerning lifetime and lifetime
cycles. They are widely used in heavy-duty applications and in very cold climates.
Standard NiCd-battery designs can be operated easily at temperatures of
−
20
◦
C and
specially designed cells can be operated even up to
−
50
◦
C. Nevertheless, NiCd batteries

---

Table 18.4
Overview of the technical data of different secondary batteries based on actual available products. All numbers are typical data based
on the data sheets of existing products. The data are not the theoretical limits for the different technologies. Products for special applications may
have technical parameters outside the ranges displayed in the table
Battery
Electrolyte
Energy
Energy
Efficiency Life- Typ. cycle-
Temperature for operation
Typical applications
technology
density
density
η
Wh
time
lifetime
(examples)
[Wh/kg]
[Wh/l]
[%]
[a]
[cycles]
Standard
Discharging
charging
[
◦
C]
[
◦
C]
Lead acid
H
2
SO
4
20 – 40
50 – 120
80 – 90
3 – 20
250 – 500
−
10 to
+
40
−
15 to
+
50
Stationary application (UPS,
autonomous power supplies),
traction, SLI
NiCd
KOH
30 – 50
100 – 150
60 – 70
3 – 25
300 – 700
−
20 to
+
50
−
45 to
+
50
Power tools, hobby toys,
consumer products, traction,
applications as for lead acid
batteries with higher power
requirements or lower
ambient temperature,
electrical cars
NiMH
KOH
40 – 90
150 – 320
80 – 90
2 – 5
300 – 600
0 to
+
45
−
20 to
+
60
Laptop, mobile phones,
camcorder, electric vehicles,
hybrid cars, hobby toys
Li-ion,
Li-polymer
Organic,
polymers
90 – 150 230 – 330
90 – 95
–
500 – 1000
0 to
+
40
−
20 to
+
60
Laptop, mobile phones,
Camcorder, smart cards
RAM
70 – 100 200 – 300
75 – 90
–
20 – 50
−
10 to
+
60
−
20 to
+
50
Consumer products, hobby toys
SuperCaps
1 – 10
2 – 15
90 – 95
∼
10
500 000
−
25 to
+
75
−
25 to
+
75
For applications with typical
cycle periods of less than
10 s at very high power
requirements
NaNiCl
β
-AlO
2
∼
100
∼
150
80 – 90
–
∼
1000
+
270 to
+
300
+
270 to
+
300 Hybrid vehicles, electric
vehicles (prototypes
available)

---

820
ELECTROCHEMICAL STORAGE FOR PHOTOVOLTAICS
have a bad image due to the cadmium content, which is, known to be environmentally
incompatible.
Several different types of NiCd batteries are in the market with differences in the
plate technologies and the handling of evolved gases.
The basic reaction is the same for all construction types of NiCd batteries.
2NiOOH
+
2H
2
O
+
Cd
2Ni(OH)
2
+
Cd(OH)
2