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.

Kliknij tutaj aby porozmawiać z nami o zabezpieczeniuw Twojej firmy

Aby uzyskać więcej informacji na temat bezpieczeństwa baterii, pobierz nasz eBook "The Battery Boom: The Explosive Rise of Thermal Runaway and how you can prevent it".

Pobierz BEZPŁATNĄ kopię eBooka "The Battery Boom

Przegląd branży: Zasilanie akumulatorowe

Baterie są skuteczne w ograniczaniu przerw w dostawach energii elektrycznej, ponieważ mogą również przechowywać nadmiar energii z tradycyjnej sieci energetycznej. Energia zmagazynowana w akumulatorach może być uwalniana zawsze wtedy, gdy potrzebna jest duża ilość energii, np. podczas awarii zasilania w centrum danych, aby zapobiec utracie danych, lub jako zapasowe źródło zasilania dla szpitala lub aplikacji wojskowej, aby zapewnić ciągłość usług o kluczowym znaczeniu. Baterie o dużej skali mogą być również wykorzystywane do wypełniania krótkoterminowych luk w zapotrzebowaniu z sieci. Takie kompozycje baterii mogą być również stosowane w mniejszych rozmiarach do zasilania samochodów elektrycznych i mogą być dalej skalowane w celu zasilania produktów komercyjnych, takich jak telefony, tablety, laptopy, głośniki i - oczywiście - osobiste detektory gazu.

Zastosowania obejmują przechowywanie akumulatorów, transport oraz spawanie i można je podzielić na cztery główne kategorie: Chemiczne - np. amoniak, wodór, metanol i paliwo syntetyczne, elektrochemiczne - kwas ołowiowy, jon litowy, Na-Cd, Na-ion, elektryczne - superkondensatory, nadprzewodzące magazyny magnetyczne oraz mechaniczne - sprężone powietrze, pompowane hydro, grawitacja.

Zagrożenia gazowe

Pożary akumulatorów litowo-jonowych

Poważny problem pojawia się, gdy elektryczność statyczna lub wadliwa ładowarka uszkodzą obwód zabezpieczający baterię. Uszkodzenie to może spowodować włączenie przełączników półprzewodnikowych w pozycję ON, bez wiedzy użytkownika. Akumulator z uszkodzonym obwodem ochronnym może działać normalnie, jednak nie może zapewnić ochrony przed zwarciem. System wykrywania gazu może ustalić, czy wystąpiła usterka i może być wykorzystany w pętli sprzężenia zwrotnego do wyłączenia zasilania, uszczelnienia przestrzeni i uwolnienia gazu obojętnego (np. azotu) do obszaru, aby zapobiec pożarowi lub eksplozji.

Wyciek toksycznych gazów przed ucieczką cieplną

Termiczny zanik napięcia w ogniwach litowo-metalowych i litowo-jonowych był przyczyną wielu pożarów. Badania wykazały, że podczas termicznego rozruchu z baterii wydobywają się łatwopalne gazy. Elektrolit w baterii litowo-jonowej jest palny i zazwyczaj zawiera heksafluorofosforan litu (LiPF6) lub inne sole Li zawierające fluor. W przypadku przegrzania, elektrolit będzie parował i ostatecznie zostanie uwolniony z ogniw baterii. Naukowcy odkryli, że komercyjne baterie litowo-jonowe mogą emitować znaczne ilości fluorowodoru (HF) podczas pożaru, a wskaźniki emisji różnią się dla różnych typów baterii i poziomów naładowania (SOC). Fluorowodór może przenikać przez skórę i oddziaływać na głębokie tkanki skórne, a nawet kości i krew. Nawet przy minimalnym narażeniu, ból i objawy mogą nie wystąpić przez kilka godzin, do tego czasu szkody są ogromne.

Wodór i ryzyko wybuchu

Wraz z rosnącą popularnością wodorowych ogniw paliwowych jako alternatywy dla paliw kopalnych, ważne jest, aby być świadomym zagrożeń związanych z wodorem. Podobnie jak wszystkie paliwa, wodór jest wysoce łatwopalny i w przypadku jego wycieku istnieje realne ryzyko pożaru. Tradycyjne akumulatory kwasowo-ołowiowe wytwarzają wodór podczas ładowania. Akumulatory te są zwykle ładowane razem, czasami w tym samym pomieszczeniu lub obszarze, co może generować ryzyko wybuchu, zwłaszcza jeśli pomieszczenie nie jest odpowiednio wentylowane. W większości zastosowań wodoru nie można używać środków zapachowych ze względów bezpieczeństwa, ponieważ wodór rozprasza się szybciej niż środki zapachowe. Istnieją obowiązujące normy bezpieczeństwa dla stacji tankowania wodoru, zgodnie z którymi wszyscy pracownicy muszą posiadać odpowiednie wyposażenie ochronne. Obejmuje to detektory osobiste, zdolne do wykrywania wodoru na poziomie ppm, jak również na poziomie %LEL. Domyślne poziomy alarmowe są ustawione na 20% i 40% LEL, co stanowi 4% objętości, ale w niektórych zastosowaniach można sobie życzyć niestandardowego zakresu PPM i poziomów alarmowych, aby szybko wychwycić nagromadzenie wodoru.

Aby dowiedzieć się więcej o zagrożeniach gazowych w akumulatorach odwiedź naszą stronęstrona branżowaaby uzyskać więcej informacji.