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.

Klik hier naar met ons te spreken over vrijwaringing uw bedrijf

Download voor meer informatie over batterijveiligheid ons eBook 'The Battery Boom: The Explosive Rise of Thermal Runaway and how you can prevent it'.

Ontvang uw GRATIS exemplaar van het eBook 'The Battery Boom

Overzicht van de industrie: Batterijvermogen

Batterijen zijn doeltreffend bij het verminderen van stroomonderbrekingen, aangezien zij ook overtollige traditionele netwerkenergie kunnen opslaan. De in batterijen opgeslagen energie kan worden vrijgegeven wanneer een grote hoeveelheid energie nodig is, bijvoorbeeld tijdens een stroomstoring in een datacentrum om te voorkomen dat gegevens verloren gaan, of als back-upstroomvoorziening voor een ziekenhuis of militaire toepassing om de continuïteit van vitale diensten te waarborgen. Grootschalige batterijen kunnen ook worden gebruikt om kortstondige hiaten in de vraag van het net op te vullen. Deze batterijsamenstellingen kunnen ook in kleinere formaten worden gebruikt om elektrische auto's van stroom te voorzien en kunnen verder worden verkleind om commerciële producten, zoals telefoons, tablets, laptops, luidsprekers en - uiteraard - persoonlijke gasdetectoren, van stroom te voorzien.

De toepassingen omvatten batterijopslag, vervoer en lassen en kunnen worden onderverdeeld in vier hoofdcategorieën: Chemische - b.v. ammoniak, waterstof, methanol en synthetische brandstof, elektrochemische - loodzuur, lithium-ion, Na-Cd, Na-ion, elektrische - supercondensatoren, supergeleidende magnetische opslag en mechanische - perslucht, gepompte hydro, zwaartekracht.

Gasgevaren

Li-ion batterijbranden

Een groot probleem ontstaat wanneer statische elektriciteit of een defecte lader het batterijbeveiligingscircuit beschadigt. Deze schade kan ertoe leiden dat de solid-state schakelaars zonder dat de gebruiker het weet in de stand ON worden gezet. Een batterij met een defect beschermingscircuit kan normaal functioneren, maar biedt geen bescherming tegen kortsluiting. Een gasdetectiesysteem kan vaststellen of er een storing is en kan worden gebruikt in een feedbackloop om de stroom uit te schakelen, de ruimte af te sluiten en een inert gas (zoals stikstof) in de ruimte vrij te laten om brand of een explosie te voorkomen.

Lekkage van giftige gassen voorafgaand aan thermische runaway

Thermische runaway van lithium-metaal- en lithium-ioncellen heeft tot verschillende branden geleid. Uit onderzoek is gebleken dat branden worden aangewakkerd door brandbare gassen die tijdens de thermische runaway uit de batterijen vrijkomen. De elektrolyt in een lithium-ion batterij is brandbaar en bevat doorgaans lithiumhexafluorofosfaat (LiPF6) of andere Li-zouten die fluor bevatten. Bij oververhitting zal de elektrolyt verdampen en uiteindelijk uit de batterijcellen ontsnappen. Onderzoekers hebben ontdekt dat commerciële lithium-ionbatterijen tijdens een brand aanzienlijke hoeveelheden waterstoffluoride (HF) kunnen uitstoten, en dat de uitstoot varieert voor verschillende soorten batterijen en laadtoestanden (SOC). Waterstoffluoride kan door de huid dringen en diep huidweefsel en zelfs botten en bloed aantasten. Zelfs bij minimale blootstelling kunnen pijn en symptomen pas na enkele uren optreden, waarna de schade extreem is.

Waterstof en explosiegevaar

Nu brandstofcellen op waterstof aan populariteit winnen als alternatief voor fossiele brandstoffen, is het belangrijk zich bewust te zijn van de gevaren van waterstof. Zoals alle brandstoffen is waterstof zeer ontvlambaar en als het lekt is er een reëel risico van brand. Traditionele lood-zuur batterijen produceren waterstof wanneer ze worden opgeladen. Deze batterijen worden gewoonlijk samen opgeladen, soms in dezelfde kamer of ruimte, wat een explosiegevaar kan opleveren, vooral als de ruimte niet goed geventileerd is. Voor de meeste waterstoftoepassingen kunnen geen geurstoffen worden gebruikt, omdat waterstof zich sneller verspreidt dan geurstoffen. Er bestaan toepasselijke veiligheidsnormen voor waterstoftankstations, waarbij voor alle werknemers passende beschermende uitrusting vereist is. Dit omvat persoonlijke detectoren die zowel waterstof in ppm-niveau als %LEL-niveau kunnen detecteren. De standaard alarmniveaus zijn ingesteld op 20% en 40% LEL, wat 4% volume is, maar sommige toepassingen kunnen een aangepast PPM-bereik en alarmniveaus wensen om waterstofaccumulaties snel op te sporen.

Om meer te weten te komen over de gevaren van gas in batterijvoeding, bezoek onzeindustrie paginavoor meer informatie.