發(fā)現(xiàn)具有鐵電性的晶體很多，但概括起來可以分為兩大類：a.一類以磷酸二氫鉀 KH2PO4 --簡稱KDP--為代表，具有氫鍵，他們從順電相過渡到鐵電相是無序到有序的相變。以KDP為代表的氫鍵型鐵晶體管，中子繞射的數(shù)據(jù)顯示，在居里溫度以上，質(zhì)子沿氫鍵的分布是成對稱沿展的形狀。在低于居里溫度時，質(zhì)子的分布較集中且不對稱于鄰近的離子，質(zhì)子會較靠近氫鍵的一端。

b.另一類則以鈦酸鋇為代表，從順電相到鐵電相的過渡是由于其中兩個子晶格發(fā)生相對位移。對于以為代表的鈣鈦礦型鐵電體，繞射實驗證明，自發(fā)極化的出現(xiàn)是由于正離子的子晶格與負離子的子晶格發(fā)生相對位移。

所有的鐵電材料都同時具備鐵電性和壓電性。鐵電性是指在一定溫度范圍內(nèi)材料會產(chǎn)生自發(fā)極化。由于鐵電體晶格中的正負電荷中心不重合，因此即使沒有外加電場，也能產(chǎn)生電偶極矩，并且其自發(fā)極化可以在外電場作用下改變方向 。當溫度高于某一臨界值時，其晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，正負電荷中心重合，自發(fā)極化消失，這一溫度臨界值稱為居里溫度(Tc)。壓電性是實現(xiàn)機械能－電能相互轉(zhuǎn)換的一種性質(zhì)。若在某一方向上給材料施加外力使材料發(fā)生形變，其內(nèi)部會發(fā)生極化并在表面產(chǎn)生電荷，這就是壓電效應(yīng)；相反，若給材料施加電場則材料會發(fā)生形變而產(chǎn)生機械力，這就是逆壓電效應(yīng)。所有的鐵電材料都具備上述2種特性，這是構(gòu)建機電系統(tǒng)的材料基礎(chǔ)之一。

其最基本的特性為在某些溫度范圍會具有自發(fā)極化，而且極化強度可以隨外電場反向而反向，從而出現(xiàn)電滯回線。

鐵電材料自發(fā)極化

鐵晶體管是電介質(zhì)中一類特別重要的介晶體管。電介質(zhì)的特性是：他們以感應(yīng)而非以傳導(dǎo)的方式傳播電的作用與影響。按照這個意義來說，不能簡單的認為電介質(zhì)就是絕緣體。

在電介質(zhì)中起主要作用的是束縛著的電荷，在電的作用下，他們以正、負電荷重心不重合的電極化方式傳遞和記錄電的影響。而鐵晶體管是——即使沒有外加電場，也可以顯現(xiàn)出電偶極距的特性。因其每單位晶胞帶有電偶極矩，且其極化率與溫度有關(guān)。

鐵電材料電滯回線

極化強度P和外電場E間的關(guān)系構(gòu)成電滯回線。一般而言，晶體的壓電性質(zhì)與自發(fā)極化性質(zhì)都是由晶體的對稱性決定的，可是對于鐵晶體管，外電場能使自發(fā)極化反向的特征卻不能由晶體的結(jié)構(gòu)來預(yù)測，只能透過電滯回線的測定（或介電系數(shù)的測定）來判斷。

電滯回線表示鐵晶體管中存在domain。鐵晶體管通常是由許多稱為domain的區(qū)域所組成，而在每一個domain里面有相同的極化方向，而與鄰近的domain其極化方向不同。如果是多晶體，由于晶粒本身的取向是任意的，不同domain中極化強度的相對取向可以是沒有規(guī)律的。但若是單晶體，不同domain中極化強度取向之間存在著簡單的關(guān)系。為明確起見，這里只考慮單晶體的電滯回線，并且設(shè)極化強度的取向只有兩種可能，亦即沿某軸的正向或負向。

假設(shè)在沒有外電場的存在下，晶體的總電矩為零，及晶體的兩類domain中極化強度方向互為相反平行。當外電場施加于晶體時，極化強度沿電場方向的domain變大，而與其反平行方向的domain則變小。這樣，極化強度P隨外電場E增大而增大，如圖中OA段曲線所示。電場強度的繼續(xù)增大，最后使晶體只具有單個的domain，晶體的極化強度達到飽和，這相當余圖中C附近的部分，將這線性部分推延至外場為零的情形，在縱軸P上所得的截距稱為飽和極化強度（即E點）。實際上，這也是每個domain原來已經(jīng)存在的極化強度。

因此飽和極化強度是對每個domain而言的。如電場自圖中C處開始降低，晶體的極大P值亦隨之減小，但在零電場時，仍存在剩余極化強度（即D點）。必須注意，剩余極化強度是對整個晶體而言的。當點場反向達到矯頑電場強度時（即F點），剩余極化全部消失，反向電場的值繼續(xù)增大時，極化強度反向。如果矯頑電場強度大于晶體的擊穿場強，那么在極化反向之前晶體已被電擊穿，便不能說該晶體具有鐵電性。

鐵電材料介電常數(shù)

當溫度高于某一臨界溫度時，晶體的鐵電性消失，并且晶格亦發(fā)生轉(zhuǎn)變，這一溫度是鐵電體的居里點。由于鐵電性的出現(xiàn)或消失，總伴隨著晶格結(jié)構(gòu)的改變，所以這是個相變過程。當晶體從非鐵電相（稱順電相）向鐵電相過渡時，晶體的許多物理性質(zhì)皆呈反常現(xiàn)象。

對于一階相變常伴隨有潛熱的發(fā)生，對于二階相變則出現(xiàn)比熱的突變。鐵電相中自發(fā)極化強度是和晶體的自發(fā)電致形變相關(guān)，所以鐵電相的晶格結(jié)構(gòu)的對稱性要比非鐵電相（順電相）的低。如果晶體具有兩個或多個鐵電相時，表征順電相與鐵電相之間的一個相變溫度，統(tǒng)稱為過渡溫度或轉(zhuǎn)變溫度。（在此附近時，介電系數(shù)常有迅速陡降的現(xiàn)象）。

由于極化的非線性，鐵電體的介電系數(shù)不是常數(shù)，而是依賴于外加電場的，一邊，以電滯回線中OA曲線在原點的斜率來代表介電系數(shù)，即在測量介電系數(shù)ε時，所加的外電場很小。鐵電體在過渡溫度附近，介電系數(shù)ε具有很大的值，數(shù)量級達到 ～ ，當溫度高于居里點時，介電系數(shù)隨溫度變化的關(guān)系遵守居里-外斯定律：

式中 稱為特性溫度，他一般略低于居里點，C稱為居里常數(shù)，而 代表電子極化對介電系數(shù)的貢獻，在過渡溫度時， 可以忽略。

早在遠古時期， 人們就知道某些物質(zhì)具有與溫度有關(guān)的自發(fā)電偶極距， 因為它們被加熱時具有吸引其它輕小物體的能力。1824 年Brewster觀察到許多礦石具有熱釋電性 。1880 年約·居里和皮·居里發(fā)現(xiàn)當對樣品施加應(yīng)力時出現(xiàn)電極化的現(xiàn)象。但是，早期發(fā)現(xiàn)的熱釋電體沒有一個是鐵電體。在未經(jīng)處理的鐵電單晶中，電疇的極化方向是雜亂的，晶體的凈極化為零，熱釋電響應(yīng)和壓電響應(yīng)也十分微小，這就是鐵電體很晚才被發(fā)現(xiàn)的主要原因 。

最早的鐵電效應(yīng)是在1920年由法國人Valasek在羅謝爾鹽中發(fā)現(xiàn)的， 這一發(fā)現(xiàn)揭開了研究鐵電材料的序幕。在1935年Busch發(fā)現(xiàn)了磷酸二氫鉀KH₂PO₄———簡稱KDP，其相對介電常數(shù)高達30，遠遠高于當時的其它材料。1940年之后， 以BaTiO₃為代表的具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的鐵電材料陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)，這是鐵電歷史上里程碑式的時期。

直至20世紀80年代，隨著鐵電唯象理論和軟膜理論的逐漸完善，鐵電晶體物理內(nèi)涵的研究趨于穩(wěn)定。20 世紀80年代中期，薄膜制備技術(shù)的突破為制備高質(zhì)量的鐵電薄膜掃清了障礙，并且近年來隨著對器件微型化、功能集成化、可靠性等要求的不斷提高，傳統(tǒng)的鐵電塊體由于尺寸限制已經(jīng)不能滿足微電子器件的要求。鐵電器件在向薄膜尺寸量級過渡的同時又與半導(dǎo)體工藝結(jié)合，研究者們迎來了集成鐵電體的時代 。

壓電材料：物質(zhì)受機械應(yīng)力作用時能產(chǎn)生電壓，或受電壓作用時能產(chǎn)生機械應(yīng)力的性質(zhì)。例如：竊聽器、Fabry-Perot干涉儀的推進器（陶瓷）等。

電光晶體：折射率在外電場作用下發(fā)生改變的材料。例如：Q開關(guān)等。鐵電材料，是熱釋電材料中的一類。其特點是不僅具有自發(fā)極化，而且在一定溫度范圍內(nèi)，自發(fā)極化偶極矩能隨外施電場的方向而改變。它的極化強度P與外施電場強度E的關(guān)系曲線如圖2所示，與鐵磁材料的磁通密度與磁場強度的關(guān)系曲線（B-H曲線）極為相似。極化強度P滯后于電場強度E,稱為電滯曲線。電滯曲線是鐵電材料的特征。即當鐵電晶體二端加上電場E后，極化強度P 隨E 增加沿OAB曲線上升，至B點后P 隨E的變化呈線性(BC線段)。E下降，P不沿原曲線下降，而是沿CBD曲線下降。當E為零時,極化強度P不等于零而為Pr，稱為剩余極化強度。

只有加上反電場E_H時P方等于零，E_H稱為鐵電材料的矯頑電場強度。CBDFGHIC構(gòu)成整個電滯曲線。鐵電晶體是由許多小區(qū)域(電疇)所組成，每個電疇內(nèi)的極化方向一致，而相鄰電疇的極化方向則不同。從宏觀來看，整個晶體是非極化的，呈中性。在外電場作用下，極化沿電場方向的電疇擴大。當所有電疇都沿外電場方向，整個晶體成為單疇晶體，即到達圖上飽和點B，當外電場繼續(xù)增加,此時晶體只有電子和離子極化，與普通電介質(zhì)一樣，P與E成直線關(guān)系（BC段），延長BC直線交P軸于T，相應(yīng)的極化強度Ps即為該晶體的自發(fā)極化強度。

在某一溫度以上，鐵電材料的自發(fā)極化即消失，此溫度稱為居里點。它是由低溫的鐵電相改變?yōu)楦邷氐姆氰F電相的溫度。典型鐵電材料有：鈦酸鋇（BaTiO3）、磷酸二氫鉀(KH2PO4)等。過去對鐵電材料的應(yīng)用主要是利用它們的壓電性、熱釋電性、電光性能以及高介電常數(shù)。由于新鐵電材料薄膜工藝的發(fā)展，鐵電材料在信息存儲、圖像顯示和全息照相中的編頁器、鐵電光閥陣列作全息照相的存儲等已開始應(yīng)用。

目前按產(chǎn)生傳感、驅(qū)動功能的機制, 鐵電陶瓷可分為3種

層狀鐵電陶瓷

研究較多，并且用于制備鐵電陶瓷材料的是鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的鋯鈦酸鉛。

簡稱PZT系列。此系列的突出優(yōu)點是剩余極化較大Pr大約10~35 μC/cm²、熱處理溫度較低（600℃左右）。但是隨著研究的深入人們發(fā)現(xiàn)在經(jīng)過累計的極化反轉(zhuǎn)之后PZT系列性能退化，主要表現(xiàn)在出現(xiàn)高的漏電流和較嚴重的疲勞問題另外鉛的揮發(fā)對人體也有害。因此研究和開發(fā)性能優(yōu)良且無鉛的鐵電陶瓷具有重要的現(xiàn)實意義。而鉍系層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)材料屬于鐵電材料類且性能較好又不含鉛，因此受到人們的廣泛關(guān)注。該材料通式是(Bi₂O₂) ² A_n-1B_nO_{3n 1})^2-其中A 為 1、 2或 3價離子，B 為 3、 4 或 5價離子，n 為類鈣鈦礦層中氧八面體BO₆層數(shù)，其中類鈣鈦礦層(A_n-1B_nO_{3n 1})^2-與鉍氧層(Bi₂O₂)² 交替排列。SrBi₄Ti₄O_15，簡稱SBTi，n=4 、n = 5或n = 7，陶瓷是鉍系層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)鐵電陶瓷材料。研究發(fā)現(xiàn)，其剩余極化較大單晶極化強度方向沿a 或b軸時2Pr=58μC/cm2

[1]熱穩(wěn)定性能也比較好，居里溫度為520℃。

[2]另外SBTi 陶瓷又是非鉛系列材料是一種比較有前途的鐵電陶瓷材料。但是由于Bi容易揮發(fā)，在材料制備和使用過程中容易成鉍空位，從而形成氧空位，影響材料的抗疲勞性能和鐵電性能。為了滿足實際應(yīng)用的需要，需要提高和改進該系列材料的鐵電性能。因此，國內(nèi)外研究者在改變制備途徑、制備方法以及調(diào)整材料的組分等方面作了不少研究。

弛豫型鐵電陶瓷

弛豫型鐵電體（relaxation ferroelectrics）簡稱RF。是指順電—鐵電轉(zhuǎn)變屬于彌散相變的一類鐵電材料"(ω)，ω為角頻率的實部，ε'(ω)隨溫度變化呈現(xiàn)相對寬且變化平緩的峰，其最大ε'(ω)值對應(yīng)的溫度Tm隨ω的增加而向高溫移動。該特征與結(jié)構(gòu)玻璃（structureglass）化轉(zhuǎn)變、自旋玻璃（spin glass）化轉(zhuǎn)變的特征極為相似。所以，弛豫型鐵電體又被稱為極性玻璃（polar glass），相應(yīng)的弛豫鐵電相變又被稱為極性玻璃化轉(zhuǎn)變。迄今為止，雖然人們對弛豫鐵電相變進行了大量的實驗測量和理論探索，但是仍然沒有被普遍接受的弛豫鐵電相變模型所以對弛豫鐵電相變機制的研究一直是該領(lǐng)域研究的熱點問題之一。另外，現(xiàn)有的一些弛豫鐵電體具有優(yōu)良的鐵電、壓電和熱釋電性能，因而具有廣泛而重要的應(yīng)用。

因此，對現(xiàn)有弛豫鐵電體性能的優(yōu)化以及新型弛豫鐵電體的合成將具有重要的潛在應(yīng)用價值，同時也是該領(lǐng)域的另一熱點問題。SrTiO3是一種無污染的功能陶瓷材料，因此以SrTiO3為基礎(chǔ)合成的新材料有產(chǎn)業(yè)的優(yōu)勢。研究發(fā)現(xiàn)在SrTiO3中引入Bi離子產(chǎn)生了典型的鐵電弛豫行為，并對其進行了介電譜測量，但是最低測量頻率為100Hz。而一般認為，玻璃化轉(zhuǎn)變的特征時間50~102s，所以在更低的頻率范圍內(nèi)對極性玻璃體的介電譜測量，無疑對理解其玻璃化轉(zhuǎn)變機制是有價值的。

反鐵電陶瓷

上世紀80年代后期具有大電致應(yīng)變和大機電轉(zhuǎn)換能力的PZST 反鐵電陶瓷作為換能器或大位移致動器有源材料方面的研究工作逐步出現(xiàn)。美國Pennsylvania 大學(xué)材料研究所開展了PZST反鐵電陶瓷作為大位移致動器有源材料應(yīng)用的可行性研究工作，針對“方寬”型電滯回線的PZST 反鐵電陶瓷進行了一系列改性優(yōu)化，降低相變場強，增大縱向應(yīng)變量，最大縱向應(yīng)變量達到0.85%，相變場強為48 kV/cm，電滯寬度為20 kV/cm。指出“方寬”型電滯回線的反鐵電陶瓷在交變電場下表現(xiàn)出嚴重的電滯損耗，因而不適于交變狀態(tài)下應(yīng)用。

鐵電性: NVFRAM\FFET　介電性:大容量電容\可調(diào)諧微波器件\PTC熱敏元件　電光效應(yīng):光開關(guān)\光波導(dǎo)\光顯示器件　聲光效應(yīng):聲光偏轉(zhuǎn)器　光折變效應(yīng):光調(diào)制器件\光信息存儲器件　非線性光學(xué)效應(yīng):光學(xué)倍頻(BBO\LBO)器件\參量振蕩\相共軛器件　壓電性:壓電傳感器\換能器\SAW\馬達　熱釋電效應(yīng):非致冷紅外焦平面陣列

一般認為，鐵電體的研究始于1920年，當年法國人發(fā)現(xiàn)了羅息鹽酒石酸鉀鈉，場·的特異的介電性能，導(dǎo)致了“鐵電性”概念的出現(xiàn)。迄今鐵電研究可大體分為四個階段’。第一階段是1920-1939年，在這一階段中發(fā)現(xiàn)了兩種鐵電結(jié)構(gòu)，即羅息鹽和系列。第二階段是1940-1958年，鐵電維象理論開始建立，并趨于成熟。第三階段是1959—1970年，這是鐵電軟模理論出現(xiàn)和基本完善的時期，稱為軟模階段。第四階段是80年代至今，主要研究各種非均勻系統(tǒng)。到目前為止，己發(fā)現(xiàn)的鐵電晶體包括多晶體有一千多種。

從物理學(xué)的角度來看，對鐵電研究起了最重要作用的有三種理論，即德文希爾(Devonshire)等的熱力學(xué)理論,Slater的模型理論,Cochran和Anderson的軟模理論。鐵電體的研究取得不少新的進展，其中最重要的有以下幾個方面。

1、第一性原理的計算。現(xiàn)代能帶結(jié)構(gòu)方法和高速計算機的反展使得對鐵電性起因的研究變?yōu)榭赡堋Ｍㄟ^第一性原理的計算，對鐵疇和等鐵電體，得出了電子密度分布，軟模位移和自發(fā)極化等重要結(jié)果，對闡明鐵電性的微觀機制有重要作用。

2、尺寸效應(yīng)的研究。隨著鐵電薄膜和鐵電超微粉的發(fā)展，鐵電尺寸效應(yīng)成為一個迫切需要研究的實際問題。人們從理論上預(yù)言了自發(fā)極化、相變溫度和介電極化率等隨尺寸變化的規(guī)律，并計算了典型鐵電體的鐵電臨界尺寸。這些結(jié)果不但對集成鐵電器件和精細復(fù)合材料的設(shè)計有指導(dǎo)作用，而且是鐵電理論在有限尺寸條件下的發(fā)展。

3、鐵電液晶和鐵電聚合物的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究。1975年MEYER發(fā)現(xiàn)，由手性分子組成的傾斜的層狀相‘相液晶具有鐵電性。在性能方面，鐵電液晶在電光顯示和非線性光學(xué)方面很有吸引力。電光顯示基于極化反轉(zhuǎn)，其響應(yīng)速度比普通絲狀液晶快幾個數(shù)量級。非線性光學(xué)方面，其二次諧波發(fā)生效率已不低于常用的無機非線性光學(xué)晶體。

聚合物的鐵電性在年代末期得到確證。雖然的熱電性和壓電性早已被發(fā)現(xiàn)，但直到年代末才得到論證，并且人們發(fā)現(xiàn)了一些新的鐵電聚合物。聚合物組分繁多，結(jié)構(gòu)多樣化，預(yù)期從中可發(fā)掘出更多的鐵電體，從而擴展鐵電體物理學(xué)的研究領(lǐng)域，并開發(fā)新的應(yīng)用。

4、集成鐵電體的研究。鐵電薄膜與半導(dǎo)體的集成稱為集成鐵電體，廣泛開展了此類材料的研究。鐵電存貯器的基本形式是鐵電隨機存取存貯器。早期以為主要研究對象，直至年實現(xiàn)了的商業(yè)化。與五六十年代相比，當前的材料和技術(shù)解決了幾個重要問題。一是采用薄膜，極化反轉(zhuǎn)電壓易于降低，可以和標準的硅或電路集成；二是在提高電滯回線矩形度的同時，在電路設(shè)計上采取措施，防止誤寫誤讀；三是疲勞特性大有改善，已制出多次反轉(zhuǎn)仍不顯示任何疲勞的鐵電薄膜。

在存貯器上的重大應(yīng)用己逐漸在鐵電薄膜上實現(xiàn)。與此同時，鐵電薄膜的應(yīng)用也不局限于存儲領(lǐng)域，還有鐵電場效應(yīng)晶體管、鐵電動態(tài)隨機存取存貯器等。除存貯器外，集成鐵電體還可用于紅外探測與成像器件，超聲與聲表面波器件以及光電子器件等。可以看出，集成薄膜器件的應(yīng)用前景不可估量。

在鐵電物理學(xué)內(nèi)，當前的研究方向主要有兩個一是鐵電體的低維特性，二是鐵電體的調(diào)制結(jié)構(gòu)。鐵電體低維特性的研究是應(yīng)對薄膜鐵電元件的要求，只有在薄膜等低維系統(tǒng)中，尺寸效應(yīng)才變得不可忽略腳一。極化在表面處的不均勻分布將產(chǎn)生退極化場，對整個系統(tǒng)的極化狀態(tài)產(chǎn)生影響。表面區(qū)域內(nèi)偶極相互作用與體內(nèi)不同，將導(dǎo)致居里溫度隨膜厚而變化。薄膜中還不可避免地有界面效應(yīng)，薄膜厚度變化時，矯頑場、電容率和自發(fā)極化都隨之變化，需要探明其變化規(guī)律并加以解釋。

鐵電超微粉的研究也逐漸升溫。在這種三維尺寸都有限的系統(tǒng)中，塊體材料的導(dǎo)致鐵電相變的布里淵區(qū)中心振模可能無法維持，也許全部聲子色散關(guān)系都要改變。庫侖作用將隨尺寸減小而減弱，當它不能平衡短程力的作用時，鐵電有序?qū)⒉荒芙ⅰ?

高性能的鐵電材料是一類具有廣泛應(yīng)用前景的功能材料，從目前的研究現(xiàn)狀來看，對于具有高性能的鐵電材料的研究和開發(fā)應(yīng)用仍然處于發(fā)展階段。研究者們選用不同的鐵電材料進行研究,并不斷探索制備工藝，只是到目前為止對于鐵電材料的一些性能的研究還沒有達到令人滿意的地步。比如，用于制備鐵電復(fù)合材料的陶瓷粉體和聚合物的種類還很單一，對其復(fù)合界面的理論研究也剛剛開始，鐵電記憶器件抗疲勞特性的研究還有待發(fā)展。總之，鐵電材料是一類具有廣闊發(fā)展前景的重要功能材料，對于其特性的研究與應(yīng)用還需要我們不斷的研究與探索，并給予足夠的重視.

由徐斌所*的這本《新型功能材料鐵電材料鐵磁材料和熱電材料的研究》利用基于密度泛密函理論的 **性原理方法系統(tǒng)地研究了一些鐵電材料、熱電材料和鐵磁材料，從電子結(jié)構(gòu)、光學(xué)特性和熱電參數(shù)等方面揭示這些材料的特性。全書共11章，包括緒論，理論基礎(chǔ)，BaBi2Ta2O9的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)， Tl2Cd2（SO4）3和Rb2Cd2（S04）3的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)，F(xiàn)e2VAl、Fe3A1和Fe2TiSn磁性、電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)，Heusler型化合物Fe2V1-xNbxA1的熱電性能，TiCoSb在不同壓力下的電子結(jié)構(gòu)和熱電性，壓力下的Fe2VAl的結(jié)構(gòu)、彈性和熱電性能，Cu3SbSe4和 Cu3SbS4各向異性的彈性和輸運特性，填充方鈷礦化合物L(fēng)aFe4Sb12和CeFe4Sb12的熱電性能的研究， LaFe4Sb12在不同壓力下的電子結(jié)構(gòu)和熱電性。

本書適用于材料、電子等領(lǐng)域從事科學(xué)研究、新材料開發(fā)的科學(xué)技術(shù)工作者，也可作為材料等相關(guān)專業(yè)研究生的專業(yè)教材。

在高鐵電池中，可作為電池負極的材料也很多，包括鋅、鋁、鐵、鎘和鎂等。

鋅

根據(jù)鋅的金屬特性，其平衡電位較負，電化當量較高，因而比能量和比功率都比較高。而且鋅具有較好的放電性能，價格便宜，來源豐富。在化學(xué)電源中得到廣泛的應(yīng)用。

在堿性溶液中，鋅電極反應(yīng)除了形成鋅酸鹽外，最終產(chǎn)物主要為固相的氧化鋅：

Zn 2OH-→Zn(OH)2 2e

Zn(OH)2 2OH-→Zn(OH)42-

Zn(OH)42-→ZnO H2O 2OH-

總反應(yīng)為：Zn 2OH- →ZnO H2O 2e

對于鋅負極，在應(yīng)用于高鐵電池中有著一定的優(yōu)勢，因為鋅電極作為負極材料在堿性溶液中有著較成熟的理論和工藝積累。研究Zn-MFeO4電池時，在緩蝕劑、導(dǎo)電劑、隔膜、集流體以及制造工藝等方面有許多可借鑒的技術(shù)。

鋁

鋁作為高鐵電池的負極，會遇到兩個問題：一是鋁在堿性溶液中的自腐蝕問題，在強堿性溶液中，鋁的溶解速度很快，同時產(chǎn)生大量的氫氣，對高鐵酸鹽來說，穿過隔膜的氫氣會加速高鐵酸鹽的分解；二是鋁在陽極過程中表面產(chǎn)生沉積物會阻止電極的反應(yīng)，使陽極過電位升高，降低了陽極的電壓效率。可以通過合金化和電解液添加劑這兩個途徑來克服上述問題。通過添加一些元素形成二元或多元鋁合金，如添加Ga、Sn、In等金屬可以改變鋁表面沉積物的組成結(jié)構(gòu)，提高鋁的陽極電位，同時增強鋁抗自腐蝕的能力。在電解液中添加其它物質(zhì)也可以改善電極反應(yīng)產(chǎn)物的晶型, 從而起到抑制腐蝕和提高陽極電位的作用。如添加In(OH)3可以有效減小腐蝕，而添加Ga2O3、Na2SnO3或檸檬酸鈉等都可以對活化電極起到有效的作用。

鐵

鐵作為電池負極在堿性溶液中的電極反應(yīng)比較復(fù)雜，鐵失去電子形成穩(wěn)定的 2價和 3價氫氧化物，即，

Fe nOH- → Fe(OH)n2-n 2e

Fe(OH)n2-n →Fe(OH)2 (n-2)OH- E°= -0.877V (vs. SHE)

Fe(OH)2 OH- →Fe(OH)3 e E°= -0.56V (vs. SHE)

然后，2Fe(OH)3 Fe(OH)2 → Fe3O4 4H2O

在堿性溶液中，鐵最初形成 2價產(chǎn)物，二價鐵與電解液形成Fe(OH)n2-n 絡(luò)合物，在繼續(xù)放電時生成 3價鐵，而且由 3價鐵與 2價鐵相互作用形成Fe3O4。

鐵與高鐵酸鹽組成電池時，電池的開路電壓為1.5V左右，隨著高鐵酸鹽的類型而有少許變化。由鐵電極的放電曲線可知，鐵負極在放電時有兩個放電平臺，第一個放電平臺對應(yīng)的是Fe向Fe(OH)2的轉(zhuǎn)化；第二個放電平臺對應(yīng)的是Fe(OH)2/Fe(OH)3反應(yīng)，第一個放電平臺到第二個放電平臺電壓會降低0.3V左右。實際上，第二個平臺的放電容易受到很多因素的影響。如第二次放電產(chǎn)物和高鐵酸鹽的反應(yīng)產(chǎn)物 Fe(OH)3會與Fe(OH)2形成Fe3O4，影響了Fe(OH)2的放電。鐵負極與高鐵酸鉀組成的單體電池在第一放電平臺的理論容量應(yīng)為285.3mAh/g。

鎘

鎘與高鐵酸鹽組成電池時，單體電池開路電壓的理論值應(yīng)在1.4V左右。鎘的電化當量為477mAh/g，與K2FeO4組成電池的理論容量為219mAh/g。

釹鐵硼是具有高矯頑力和高磁能積的高性能的稀土材料，而且近年來對該材料的不斷完善，提高了使用溫度和降低了材料的成本。將釹鐵硼稀土永磁材料應(yīng)用于各種電機的開發(fā)上可以明顯的減輕電機的質(zhì)量，減小電機的外型尺寸，又可以獲得高效的節(jié)能效果和提高電機的性能，再結(jié)合電力電子新技術(shù)，使得稀土永磁材料在電機中的應(yīng)用可實現(xiàn)產(chǎn)品機電一體化，各種用途的新型稀土永磁電機將進入了一個嶄新的發(fā)展階段。 　稀土永磁電機是釹鐵硼磁體最大的應(yīng)用領(lǐng)域，約占磁體總量的70%，計算機硬盤配套的音圈電機(vcm)占40%-50%，所以計算機產(chǎn)業(yè)是永磁電機的最大用戶。 　采用稀土永磁電機可以明顯減輕電機的重量，如10kw普通發(fā)電機，重量為220kg，而稀永磁發(fā)電機為92kg。稀土永磁電機高效節(jié)能，平均節(jié)電率高達10%，某些專用電機節(jié)電率高達15%-20%，性價比高。德國西門子研制的1095kw、230rpm六極永磁同步電動機，與過去使用的直流電動機相比，體積減少60%左右，總損耗降低20%。 　由于釹鐵硼具有很高的性能價格比，因此成為制造高效能、體積小、重量輕的磁性功能器件的理想材料，有望對許多應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)生革命性的影響。除了在計算機、打印機、移動電話、家用電器、醫(yī)療器等方面的廣泛應(yīng)用外，汽車中的發(fā)電機、電動機和音響系統(tǒng)的應(yīng)用已經(jīng)日趨成熟，這將極大地帶動釹鐵硼產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。