Gasdetectie bij lithium-ion batterijen laat thermal runaway vroeg detecteren

Een lithium-ion batterij die instabiel raakt, kan al gassen produceren voordat rook of brand zichtbaar is. Dit zogenaamde off-gassing biedt de mogelijkheid om een dreigende thermal runaway in een vroeg stadium te signaleren.

Welke gassen komen daarbij vrij en hoe zorg je dat gasdetectie snel genoeg reageert?

Wat is een thermal runaway?

Een thermal runaway is een proces waarbij een lithium-ion cel in een autonome, exotherme toestand terechtkomt. Door een interne of externe storing stijgt de temperatuur in de cel sneller dan dat de warmte aan de omgeving kan worden afgegeven. Vanaf een kritiek punt ontleedt het interne celmateriaal en de vloeibare elektrolyt, wat leidt tot een onstuitbare temperatuur- en drukstijging. Een thermal runaway kan worden veroorzaakt door:

• Thermische overbelasting: oververhitting door snelladen, externe brand of een haperend koelsysteem.
• Elektrische misbreuk: overladen, diepontlading of externe kortsluiting.
• Mechanische beschadiging: val- of stootschade, penetratie of fabricagefouten.

Off-gassing als vroeg waarschuwingssignaal

Bij beschadiging, oververhitting of een interne fout kan een lithium-ion cel steeds warmer worden. De chemische reacties in de cel produceren vervolgens opnieuw warmte. Wanneer dit proces zichzelf versterkt, kan een thermal runaway ontstaan.

Nog voordat daadwerkelijk brand uitbreekt, kunnen verschillende gassen vrijkomen, waaronder:

• waterstof (H₂): zeer explosief.
• koolmonoxide (CO): zeer giftig.
• kooldioxide (CO₂): verdringt zuurstof.
• vluchtige organische stoffen (VOC's): kunnen giftig en explosief zijn;
• waterstoffluoride (HF): zeer giftig en bijtend.

Deze vroege gasontwikkeling maakt gasdetectie interessant als onderdeel van de beveiliging van batterijopslag.

De rol van een gasdetectiecentrale bij batterijopslag

Losse gassensoren signaleren weliswaar een gevaarlijke gasconcentratie, maar zonder centrale aansturing gebeurt er niets. Een dedicated gasdetectiecentrale voor batterijen vormt de kern van het veiligheidssysteem. De centrale verwerkt de meetwaarden van het sensornetwerk en stuurt bij een beginnende off-gassing direct automatische veiligheidsacties aan.

Waarom alleen rookdetectie niet altijd voldoende is

Rook- en warmtedetectie signaleren een incident doorgaans in een andere fase dan gasdetectie. Gasdetectie kan reageren op chemische veranderingen die al optreden vóórdat er sprake is van zichtbare rook of brand. Daarmee ontstaat eerder een waarschuwing en dus meer tijd om maatregelen te nemen. Denk bijvoorbeeld aan het activeren van ventilatie, waarschuwen van medewerkers, evacueren van de opslagruimte of informeren van hulpdiensten.

CO als indicator voor een batterijprobleem

Bij een zich ontwikkelende thermal runaway kunnen flinke hoeveelheden koolmonoxide ontstaan. Daardoor kan CO worden gebruikt als indicator voor een afwijkende of falende lithium-ion batterij. PGS 37-2 beschrijft voor bepaalde opslagvoorzieningen stationaire CO-detectie en gaat uit van sensoren die concentraties vanaf ongeveer 10 ppm CO kunnen meten. Juist die lage detectiegrens is belangrijk. Het doel is niet zozeer een brand constateren, maar een probleem zo vroeg mogelijk detecteren en alarmeren.

Waar plaats je gasdetectoren?

De positie van een gasdetector is minstens zo belangrijk als de detector zelf. Een kleine hoeveelheid gas uit één falende batterij kan in een groot magazijn snel worden verdund. Een detector ergens aan het plafond hoeft die lokale gasontwikkeling daardoor niet snel genoeg te registreren.

PGS 37-2 geeft aan dat de detectie representatief moet zijn voor de volledige opslagvoorziening. Vooral bij magazijnstellingen kan het nodig zijn sensoren dichter bij de opgeslagen energiedragers te plaatsen. Bij het ontwerpen van het systeem moet daarom worden gekeken naar:

• type lithium-ion batterij.
• hoeveelheid opgeslagen batterijen.
• afmetingen van de ruimte.
• de indeling van magazijnstellingen.
• luchtstromen en ventilatie.
• mogelijke verspreiding van gassen.
• gewenste detectiesnelheid.
• alarmering en eventuele doormelding.

Gasdetectie is een systeem, geen losse sensor

Een betrouwbaar gasdetectiesysteem bestaat niet simpelweg uit een aantal detectoren die op handige plekken worden opgehangen. Sensoren, posities, alarmgrenzen, ventilatie en doormelding moeten samen één veiligheidsconcept vormen. De eigenschappen van de opslagvoorziening bepalen hoe het systeem wordt ingericht. Voor opslagvoorzieningen die onder PGS 37-2 vallen, gelden bovendien specifieke eisen aan ontwerp, aanleg, oplevering en onderhoud.

Wil je weten wanneer PGS 37-2 van toepassing is en wanneer gasdetectie vereist kan zijn? Lees dan het blog over PGS 37-2 en gasdetectie bij opslag van lithium-ion batterijen.