Battery Safety: What is Off-Gassing and Why Does it Occur​?

Batteries have become an integral part of our daily lives, powering everything from smartphones to electric vehicles. But have you ever considered the potential risks associated with the batteries that enable the seamless functioning of these devices? While advancements in battery technology have revolutionised the way we live, it’s crucial to explore the potential hazards these power sources pose.

Lithium-ion batteries are combustible and hazardous, with the potential of dangerous and explosive thermal runaway – which can not only have devastating consequences for the environment and property but can threaten human life. Therefore, it is important to understand the first signs of a possible disaster – off-gassing.

Understand Off-gassing: The Silent Emission

Off-gassing refers to the release of gases from lithium-ion batteries often as a result of abuse or misuse. When a battery is subjected to conditions such as overcharging, over-discharging, or physical damage, it can lead to the breakdown of internal components, causing the release of gases. These gases typically include carbon dioxide, carbon monoxide, and other volatile organic compounds – which can be toxic for anyone who may come in contact with them.

Explaining Off-gassing Dynamics:

Off-gassing dynamics differ based on battery setups. In enclosed setups like racks or small housings, off-gassing can accumulate within the confined space, increasing the risk of pressure buildup and ignition. In open setups, such as outdoor installations, off-gassing may dissipate more easily, but still poses risks in poorly ventilated areas.

How Off-gassing Occurs and the Timeline:

Although not always a guaranteed precursor to thermal runaway in lithium-ion batteries, off-gassing events typically occur early in their failure. Thermal runaway occurs when a battery undergoes uncontrolled heating, leading to a rapid increase in temperature and pressure within the cell. This escalation can ultimately result in the battery catching fire or exploding, posing significant safety hazards.

The timeline for off-gassing can vary depending on the severity of the abuse and the type of battery. In some cases, off-gassing may occur gradually over time as the battery undergoes repeated stress, while in other instances, it may occur suddenly due to a single event, such as overcharging.

Factors in which Off-gassing can occur:

  • Physical Damage: Any damage to the battery, such as punctures or crushing, can cause internal components to degrade, leading to off-gassing.
  • Overcharging: Excessive charging can cause the decomposition of electrolytes within the battery, leading to gas generation.
  • Overheating: Like off-gassing, excessive heat can trigger thermal runaway by destabilising the battery’s internal chemistry.
  • Over-discharging: Discharging a battery beyond its recommended limit can also result in the release of gases.
  • Internal Short Circuits: Any malfunction that causes a short circuit within the battery can initiate thermal runaway.
  • Manufacturing Defects: Faulty manufacturing processes can introduce weaknesses in the battery structure, making it more susceptible to thermal runaway.

What are the dangers of Off-gassing buildup?

Off-gassing buildup can lead to the battery storage container turning into a pressure vessel that is just waiting for a spark to ignite. To mitigate this risk, it’s crucial to have a monitored ventilation system in place. Additionally, compliance with FM standards is essential, as BESS should maintain lower than 25% LFL or have a container that can open to vent gas, ensuring safety in case of off-gassing.

Why Early Detection of Off-gassing is Critical:

Early detection plays a critical role in preventing catastrophic battery incidents. By identifying signs of off-gassing at the onset, operators can intervene before the situation escalates into thermal runaway. Here’s why early detection is crucial:

  1. Preventative Maintenance: Early detection allows for timely maintenance and corrective action to address battery issues before they worsen. Routine monitoring of off-gassing can help identify underlying problems in battery systems, such as overcharging or internal damage, enabling proactive maintenance to mitigate risks.
  2. Risk Mitigation: Off-gassing serves as an early warning sign of potential battery failures. By monitoring off-gassing levels, operators can implement risk mitigation measures, such as adjusting charging parameters or isolating malfunctioning batteries, to prevent thermal runaway and its associated hazards.
  3. Enhanced Safety: Timely detection of off-gassing enhances safety for both personnel and property. It provides an opportunity to evacuate affected areas, implement emergency protocols, and minimise the impact of battery-related incidents on surrounding environments. Additionally, early intervention reduces the likelihood of injuries and property damage resulting from thermal runaway events.
  4. Cost Savings: Detecting off-gassing early can help avoid costly repairs or replacements of damaged batteries and equipment. By addressing issues proactively, operators can extend the lifespan of batteries, optimise performance, and avoid unplanned downtime, resulting in significant cost savings over time.
  5. Regulatory Compliance: Many regulatory standards and guidelines mandate the monitoring of off-gassing as part of battery safety protocols. Early detection ensures compliance with regulatory requirements and demonstrates a commitment to maintaining safe battery operations in accordance with industry standards.

Incorporating robust gas detection systems and technologies for early detection of off-gassing is essential for proactive risk management and maintaining the integrity of battery systems. By prioritising early detection, stakeholders can safeguard against potential hazards, minimise disruptions, and promote the safe and sustainable use of battery technology across various applications.

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Überblick über die Industrie: Batterieleistung

Batterien sind ein wirksames Mittel zur Verringerung von Stromausfällen, da sie auch überschüssige Energie aus dem herkömmlichen Netz speichern können. Die in den Batterien gespeicherte Energie kann immer dann freigesetzt werden, wenn eine große Menge an Strom benötigt wird, z. B. bei einem Stromausfall in einem Rechenzentrum, um Datenverluste zu verhindern, oder als Reservestromversorgung für ein Krankenhaus oder eine militärische Anwendung, um die Kontinuität lebenswichtiger Dienste zu gewährleisten. Großbatterien können auch eingesetzt werden, um kurzfristige Bedarfslücken im Netz zu schließen. Diese Batteriezusammensetzungen können auch in kleineren Größen für den Antrieb von Elektroautos verwendet werden und können weiter verkleinert werden, um kommerzielle Produkte wie Telefone, Tablets, Laptops, Lautsprecher und - natürlich - persönliche Gasdetektoren zu betreiben.

Die Anwendungen umfassen Batteriespeicherung, Transport und Schweißen und können in vier Hauptkategorien unterteilt werden: Chemisch - z. B. Ammoniak, Wasserstoff, Methanol und synthetische Kraftstoffe, elektrochemisch - Bleisäure, Lithium-Ionen, Na-Cd, Na-Ionen, elektrisch - Superkondensatoren, supraleitende Magnetspeicher und mechanisch - Druckluft, gepumptes Wasser, Schwerkraft.

Gasgefahren

Brände von Li-Ionen-Batterien

Ein großes Problem ergibt sich, wenn statische Elektrizität oder ein fehlerhaftes Ladegerät die Batterieschutzschaltung beschädigt. Diese Beschädigung kann dazu führen, dass die Halbleiterschalter ohne Wissen des Benutzers in die EIN-Stellung geschaltet werden. Eine Batterie mit einer defekten Schutzschaltung kann zwar normal funktionieren, bietet aber möglicherweise keinen Schutz vor Kurzschlüssen. Ein Gasdetektionssystem kann feststellen, ob ein Fehler vorliegt, und kann in einer Rückkopplungsschleife verwendet werden, um die Stromversorgung abzuschalten, den Raum abzudichten und ein Inertgas (z. B. Stickstoff) in den Bereich freizusetzen, um einen Brand oder eine Explosion zu verhindern.

Austritt von giftigen Gasen vor dem thermischen Durchgehen

Das thermische Durchgehen von Lithium-Metall- und Lithium-Ionen-Zellen hat zu mehreren Bränden geführt. Untersuchungen haben gezeigt, dass die Brände durch entflammbare Gase ausgelöst werden, die während des thermischen Durchgehens aus den Batterien austreten. Der Elektrolyt in einer Lithium-Ionen-Batterie ist brennbar und enthält in der Regel Lithiumhexafluorphosphat (LiPF6) oder andere fluorhaltige Li-Salze. Im Falle einer Überhitzung verdampft der Elektrolyt und wird schließlich aus den Batteriezellen ausgestoßen. Forscher haben festgestellt, dass handelsübliche Lithium-Ionen-Batterien bei einem Brand beträchtliche Mengen an Fluorwasserstoff (HF) freisetzen können und dass die Emissionsraten je nach Batterietyp und Ladezustand (SOC) variieren. Fluorwasserstoff kann die Haut durchdringen und tiefes Hautgewebe und sogar Knochen und Blut angreifen. Selbst bei minimaler Exposition können Schmerzen und Symptome erst nach mehreren Stunden auftreten, wenn die Schäden bereits extrem sind.

Wasserstoff und Explosionsgefahr

Da Wasserstoff-Brennstoffzellen als Alternative zu fossilen Brennstoffen immer beliebter werden, ist es wichtig, sich der Gefahren von Wasserstoff bewusst zu sein. Wie alle Brennstoffe ist auch Wasserstoff leicht entzündlich, und wenn er ausläuft, besteht echte Brandgefahr. Herkömmliche Blei-Säure-Batterien produzieren Wasserstoff, wenn sie geladen werden. Diese Batterien werden in der Regel gemeinsam aufgeladen, manchmal im selben Raum oder Bereich, was zu einer Explosionsgefahr führen kann, insbesondere wenn der Raum nicht richtig belüftet ist. Bei den meisten Wasserstoffanwendungen können aus Sicherheitsgründen keine Geruchsstoffe verwendet werden, da sich Wasserstoff schneller verflüchtigt als Geruchsstoffe. Für Wasserstofftankstellen gelten Sicherheitsnormen, die eine angemessene Schutzausrüstung für alle Mitarbeiter vorschreiben. Dazu gehören Personendetektoren, die in der Lage sind, sowohl den Wasserstoffgehalt in ppm als auch den %LEL-Wert zu erkennen. Die Standardalarmstufen sind auf 20 % und 40 % UEG, d. h. 4 % des Volumens, eingestellt, aber bei einigen Anwendungen kann ein benutzerdefinierter PPM-Bereich und eine benutzerdefinierte Alarmstufe erforderlich sein, um Wasserstoffansammlungen schnell zu erkennen.

Wenn Sie mehr über die Gefahren von Gas in der Batteriewirtschaft erfahren möchten, besuchen Sie unsereIndustrie-Seitefür weitere Informationen.