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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Visión general del sector: La energía de las baterías

Las baterías son eficaces para reducir los cortes de energía, ya que también pueden almacenar el exceso de energía de la red tradicional. La energía almacenada en las baterías puede liberarse siempre que se necesite un gran volumen de energía, por ejemplo, durante un corte de energía en un centro de datos para evitar la pérdida de datos, o como suministro de energía de reserva en un hospital o una aplicación militar para garantizar la continuidad de los servicios vitales. Las baterías a gran escala también pueden utilizarse para cubrir los vacíos a corto plazo en la demanda de la red. Estas composiciones de baterías también pueden utilizarse en tamaños más pequeños para alimentar coches eléctricos y pueden reducirse aún más para alimentar productos comerciales, como teléfonos, tabletas, ordenadores portátiles, altavoces y, por supuesto, detectores de gas personales.

Las aplicaciones incluyen el almacenamiento en baterías, el transporte y la soldadura, y pueden dividirse en cuatro categorías principales: Químicas: amoníaco, hidrógeno, metanol y combustible sintético; electroquímicas: plomo-ácido, iones de litio, Na-Cd, iones de Na; eléctricas: supercondensadores, almacenamiento magnético superconductor; y mecánicas: aire comprimido, hidráulica bombeada y gravedad.

Peligros del gas

Incendios de baterías de iones de litio

Un problema importante surge cuando la electricidad estática o un cargador defectuoso dañan el circuito de protección de la batería. Este daño puede provocar que los interruptores de estado sólido se pongan en posición ON, sin que el usuario lo sepa. Una batería con un circuito de protección defectuoso puede funcionar con normalidad, sin embargo, puede no proporcionar protección contra el cortocircuito. Un sistema de detección de gases puede establecer si hay un fallo y puede utilizarse en un bucle de retroalimentación para cortar la energía, sellar el espacio y liberar un gas inerte (como el nitrógeno) en la zona para evitar cualquier incendio o explosión.

Fuga de gases tóxicos antes del desbordamiento térmico

El desbordamiento térmico de las pilas de litio-metal y de iones de litio ha provocado varios incendios. Las investigaciones demuestran que durante el desbordamiento térmico de las baterías se producen incendios alimentados por gases inflamables. El electrolito de una batería de iones de litio es inflamable y suele contener hexafluorofosfato de litio (LiPF6) u otras sales de Li que contienen flúor. En caso de sobrecalentamiento, el electrolito se evapora y acaba saliendo de las celdas de la batería. Los investigadores han descubierto que las baterías de iones de litio comerciales pueden emitir cantidades considerables de fluoruro de hidrógeno (HF) durante un incendio, y que los índices de emisión varían según los distintos tipos de batería y los niveles de estado de carga (SOC). El fluoruro de hidrógeno puede penetrar en la piel y afectar al tejido cutáneo profundo e incluso a los huesos y la sangre. Incluso con una exposición mínima, el dolor y los síntomas pueden no presentarse durante varias horas, momento en el que el daño es extremo.

Hidrógeno y riesgo de explosión

Dado que las pilas de combustible de hidrógeno están ganando popularidad como alternativas a los combustibles fósiles, es importante ser consciente de los peligros del hidrógeno. Al igual que todos los combustibles, el hidrógeno es altamente inflamable y si tiene fugas existe un riesgo real de incendio. Las baterías tradicionales de plomo-ácido producen hidrógeno cuando se cargan. Estas baterías suelen cargarse juntas, a veces en la misma habitación o zona, lo que puede generar un riesgo de explosión, especialmente si la habitación no está bien ventilada. La mayoría de las aplicaciones de hidrógeno no pueden utilizar odorantes por seguridad, ya que el hidrógeno se dispersa más rápido que los odorantes. Existen normas de seguridad aplicables a las estaciones de abastecimiento de hidrógeno, por las que se requiere un equipo de protección adecuado para todos los trabajadores. Esto incluye detectores personales, capaces de detectar el nivel de hidrógeno en ppm, así como el nivel de %LEL. Los niveles de alarma por defecto se fijan en el 20% y el 40% de LEL, que es el 4% del volumen, pero algunas aplicaciones pueden desear tener un rango de PPM y niveles de alarma personalizados para detectar rápidamente las acumulaciones de hidrógeno.

Para saber más sobre los peligros de los gases en la energía de las baterías, visite nuestrapágina de la industriapara obtener más información.