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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Panoramica del settore: Alimentazione a batteria

Le batterie sono efficaci per ridurre le interruzioni di corrente, poiché possono anche immagazzinare l'energia in eccesso della rete tradizionale. L'energia immagazzinata nelle batterie può essere rilasciata ogni volta che è necessario un grande volume di energia, ad esempio durante un'interruzione di corrente in un centro dati per evitare la perdita di dati, o come alimentazione di riserva in un ospedale o in un'applicazione militare per garantire la continuità dei servizi vitali. Le batterie di grandi dimensioni possono essere utilizzate anche per colmare le lacune a breve termine nella domanda della rete. Queste composizioni di batterie possono essere utilizzate anche in dimensioni più piccole per alimentare le auto elettriche e possono essere ulteriormente ridimensionate per alimentare prodotti commerciali, come telefoni, tablet, computer portatili, altoparlanti e, naturalmente, rilevatori di gas personali.

Le applicazioni comprendono l'accumulo di batterie, il trasporto e la saldatura e possono essere suddivise in quattro categorie principali: Chimica - ad esempio, ammoniaca, idrogeno, metanolo e carburante sintetico, elettrochimica - acido di piombo, ioni di litio, Na-Cd, ioni di Na, elettrica - supercondensatori, accumulo magnetico superconduttivo e meccanica - aria compressa, idrogeno pompato, gravità.

Pericoli del gas

Incendi di batterie Li-ion

Un problema importante si presenta quando l'elettricità statica o un caricabatterie difettoso danneggiano il circuito di protezione della batteria. Questo danno può portare alla fusione degli interruttori a stato solido in posizione ON, senza che l'utente se ne accorga. Una batteria con un circuito di protezione difettoso può funzionare normalmente, ma non garantire la protezione dal cortocircuito. Un sistema di rilevamento del gas può stabilire se c'è un guasto e può essere utilizzato in un ciclo di feedback per interrompere l'alimentazione, sigillare lo spazio e rilasciare un gas inerte (come l'azoto) nell'area per prevenire incendi o esplosioni.

Perdita di gas tossici prima della fuga termica

La fuga termica delle celle al litio-metallo e agli ioni di litio ha provocato diversi incendi. Le ricerche hanno dimostrato che gli incendi sono alimentati da gas infiammabili che fuoriescono dalle batterie durante il thermal runaway. L'elettrolita di una batteria agli ioni di litio è infiammabile e generalmente contiene esafluorofosfato di litio (LiPF6) o altri sali di litio contenenti fluoro. In caso di surriscaldamento, l'elettrolito evapora e alla fine viene espulso dalle celle della batteria. I ricercatori hanno scoperto che le batterie agli ioni di litio commerciali possono emettere quantità considerevoli di fluoruro di idrogeno (HF) durante un incendio e che i tassi di emissione variano a seconda dei tipi di batteria e dei livelli di carica (SOC). L'idrogeno fluoruro può penetrare nella pelle e colpire i tessuti cutanei profondi e persino le ossa e il sangue. Anche in caso di esposizione minima, il dolore e i sintomi possono non manifestarsi per diverse ore, quando il danno è ormai estremo.

Idrogeno e rischio di esplosione

Con la crescente popolarità delle celle a combustibile a idrogeno come alternativa ai combustibili fossili, è importante conoscere i pericoli dell'idrogeno. Come tutti i combustibili, l'idrogeno è altamente infiammabile e in caso di perdite c'è un rischio reale di incendio. Le batterie tradizionali al piombo acido producono idrogeno durante la carica. Queste batterie vengono normalmente caricate insieme, a volte nella stessa stanza o area, il che può generare un rischio di esplosione, soprattutto se la stanza non è adeguatamente ventilata. La maggior parte delle applicazioni a idrogeno non può utilizzare odoranti per sicurezza, poiché l'idrogeno si disperde più rapidamente degli odoranti. Esistono standard di sicurezza applicabili alle stazioni di rifornimento di idrogeno, che richiedono a tutti i lavoratori un'adeguata attrezzatura di protezione. Ciò include rilevatori personali, in grado di rilevare il livello di idrogeno in ppm e il livello %LEL. I livelli di allarme predefiniti sono impostati al 20% e al 40% di LEL, pari al 4% del volume, ma alcune applicazioni possono richiedere un intervallo di PPM e livelli di allarme personalizzati per rilevare rapidamente gli accumuli di idrogeno.

Per saperne di più sui pericoli legati ai gas nell'alimentazione a batteria, visitate la nostrapagina del settoreper ulteriori informazioni.