Fysica van auto-accu verrast en heeft verreikende gevolgen

Soms kan zelfs het bestuderen van op het eerste gezicht heel alledaagse verschijnselen nog tot verrassende nieuwe inzichten leiden. Dat ontdekte de Amerikaanse hoogleraar Wayne Saslow van Texas A&M University toen hij bezig was met het schrijven van een leerboek voor natuurkundestudenten over elektromagnetisme.

Wie aan zoiets begint, is vaak gedwongen om fenomenen waarvan iedereen aanneemt dat ze al lang begrepen zijn nog eens met een frisse, onbevooroordeelde blik onder de loep te nemen. Dat leverde in dit geval een artikel op in Physical Review Letters (17 juni 1996, pagina 4849) met de intrigerende titel 'What happens when you leave the car lights on overnight?'

Om een goede beschrijving te kunnen geven van de processen die zich afspelen in een elektrochemische cel had Saslow zich namelijk verdiept in de fysica van de auto-accu. Die bestaat uit een aantal met zwavelzuur gevulde compartimenten die elk een elektrode van lood (negatief) en een van loodoxide (positief) bevatten. Samen leveren deze de voor de auto benodigde 12 volt. Net als in andere batterijen vinden er in een accu aan de elektrodes een aantal redoxreacties plaats, waarbij de ladingstoestand van de ionen in de oplossing en in de elektrodes verandert. In een accu wordt hierbij wat extra water gevormd en slaat op beide elektrodes loodsulfaat neer.

Om dit proces op gang te kunnen houden moeten er dus voortdurend nieuwe ionen uit de oplossing worden aangevoerd en elektronen via de stroomdraden worden afgevoerd. Nu was de gangbare theorie dat hierbij de hoeveelheden negatieve en positieve lading op elke plaats in de accu met elkaar in balans zouden zijn. Saslow keek echter eens wat nauwkeuriger naar de ionenstromen en ontdekte dat er tijdens het langzame, gestage leeglopen van een accu met perfect platte elektrodes steeds een overmaat aan negatieve sulfaationen in de bulk van de oplossing aanwezig is: die is dus plaatselijk negatief geladen. Deze lading wordt gecompenseerd door een overmaat aan waterstofionen vlak bij de elektrodes, waardoor over de gehele accu neutraliteit gewaarborgd blijft.

Deze ogenschijnlijk simpele waarneming heeft mogelijk verreikende consequenties. Zo wordt bijvoorbeeld bij de analyse van het transport door ionenkanalen in celmembranen en de beschrijving van plasmawolken in de astrofysica steeds uitgegaan van 'lokale elektroneutraliteit', en dat lijkt nu geen strikte noodzaak meer. En hoewel de berekeningen niet opgaan voor een commerciële accu - omdat daarin poreuze elektrodes worden gebruikt die immers een groter effectief beschikbaar oppervlak hebben - is het wellicht toch makkelijker geworden om batterijen te ontwerpen die een zo groot mogelijk, stabiel vermogen moeten kunnen leveren.