Lithium-ion batteries for explosive atmospheres : a preliminary analysis

Lithium-ion batteries have been largely studied in the past years, with the aim of improve the level of safety guaranteed during their operation. Among the different developed technologies, lithium iron-phosphate (LFP) represents the best trade-off in terms of costs, performances and safety: test and measurements on damaged cell demonstrate that the amount of heat released during thermal runaway is significantly lower with respect to other lithium technologies, e.g. the old lithium cobalt-oxide (LCO). Anyway, safety issues are still present and the main topic is to avoid the rise of hazardous events, which may be associated to short circuits, over-charge/over-discharge electric currents and overheating. These dangerous conditions may lead to exothermic chain reactions inside the storage system, which then may release toxic and/or flammable gases and finally catch fire. To reduce the possibility of battery failure, lithium systems are equipped with a control device called Battery Management System (BMS), which continuously manages the state of health of the battery, guaranteeing that it operates in the safety range provided by the manufacturer. Moreover, the BMS includes protection devices which break the battery electric circuits in case of unexpected over-currents. The goal of this work is to provide a preliminary analysis about the possibility to adopt lithium-ion batteries in potentially explosive atmospheres, by identifying the ignition sources which may arise in case of failure during operation. Furthermore, it is important to understand the capability of BMS to remove the ignition risk residual and what is its minimum Safety Integrity Level (SIL) in order to grant a sufficient reliability. Anyway, this work describes the usable type of protection for the electrical components of the system according to IECEx Scheme and ATEX Directive in order to avoid the ignition of an explosive atmosphere.

Le batterie agli ioni di Litio sono state oggetto di studio durante gli ultimi anni, con l’obiettivo di migliorare il livello di sicurezza garantito durante il funzionamento. Tra le diverse tecnologie sviluppate, la litio ferro fosfato (LFP) rappresenta il migliore trade-off in termini di costi, prestazioni e sicurezza: test ed esperimenti dimostrano che la quantità di energia rilasciata durante il thermal runaway è significativamente inferiore rispetto ad altre tecnologie al litio, ad esempio quella ad ossido di cobalto (LCO). Tuttavia, i problemi legati alla sicurezza persistono e il tema principale è evitare eventi pericolosi, che possono essere associati a corto circuiti, correnti di carica/scarica eccessive e surriscaldamento. Queste condizioni pericolose potrebbero indurre reazioni esotermiche a catena all’interno della batteria, che successivamente potrebbe emettere gas infiammabili e/o tossici e esplodere. Per ridurre la possibilità di guasto, i sistemi al litio sono forniti di un dispositivo di controllo chiamato Battery Management System (BMS), che controlla continuamente lo stato di salute della batteria, assicurandone il funzionamento entro i limiti di sicurezza forniti dal produttore. Inoltre, il BMS comprende dei dispositivi di protezione che permettono l’interruzione del circuito elettrico della batteria in caso di sovracorrenti improvvise. Lo scopo di questo elaborato è quello di fornire una prima analisi per l’applicazione di batterie al litio in ambienti con presenza di atmosfera esplosiva, identificando le potenziali sorgenti di innesco derivanti da un guasto durante il funzionamento. Inoltre, è importante capire la capacità del BMS di rimuovere il rischio residuo di innesco e qual è il suo minimo livello di integrità della sicurezza (SIL) al fine di garantire un livello di affidabilità sufficiente. Infine, questo elaborato descrive i possibili metodi di protezione per i componenti elettrici, in accordo con lo schema IECEx e le Direttive ATEX, per evitare l’innesco di un’atmosfera esplosiva.