锂离子电池方面。锂离子电池通过锂离子在正负两极之间的移动来进行工作，因此电池正极材料的导电性能则会密切关系到锂离子电池的能量密度和功率性能。实际上，大部分电极材料的比容量都与理论上可达到的比容量相距甚远，尤其是在大电流充放电时，电极材料的比容量会大幅下降。石墨烯材料因具备优异的电子导电性，被应用到锂电子电池的研究中。石墨烯层应用于电池的正极材料中，不仅可以减少电池的界面电阻，便于锂离子在电池的正负两极间传导，还有助于减慢金属氧化物溶解相变的速度，从而保证的电极在电循环周期中保持结构。有科学家采用三元共组装法，将氧化锡与石墨烯整合在一起，与表面活性剂多元协同，制备出三元有序纳米复合材料（见图1），该材料用于电极的比容量可达到760 mA•h/g，且该材料是一种良好的缓冲材料，利于提高锂离子电池电极材料的循环稳定性。
锂-空气电池方面。锂-空气电池作为理想的高比能量化学电源，成为近年来的研究热点。目前，石墨烯在锂-空气电池研究应用中，显示出突出的优越性，其不仅可以构成电池的正极材料，更表现出可观的催化活性。在锂-空气电池中，石墨烯作为催化剂或催化剂基底展示出其潜在的优势，可以提高催化效率，并且不断提高锂-空气电池的循环性能，其比表面积巨大以及多孔体系的特性提升了锂-空气电池的放电容量。科学家在电解质为烷基碳酸酯的锂空气电池中，将石墨纳米片（NGS）作为阴极催化剂，证明了与Vulcan XC-72碳电极相比，NGS电极的循环性能更好、过电位更低。有科学家制备出一种空气电极为石墨烯泡沫的锂空气电池，实验表明在锂-空气电池中电流循环20 次的情况下，其循环效率只损失了20%，并且其放电电压稳定在2.8V。
电化学分析
石墨烯在电化学分析中主要应用在基于目标分子直接电化学的分析检测和用作生物电分析中的载体材料和基于石墨烯的光透电极等方面。
目标分子直接电化学分析。基于目标分子直接电化学分析检测的目标物包括：无机小分子，有机小分子，以及氧化还原蛋白质和核酸等生物大分子，如DNA 和血红蛋白等。石墨烯上可吸附蛋白质的特性使得石墨烯是研究蛋白质电子转移的理想材料。如有学者以化学还原的石墨烯氧化物修饰的玻璃碳电极（CR-GO/GC）作为新的电极体系，提出了电化学传感和生物传感的新型实验平台。另一些人研究了石墨烯氧化物（GO）修饰电极上细胞色素C、肌红蛋白和辣根过氧化物酶（HRP）等3种金属蛋白的直接电化学行为，发现GO可促进其电子转移动力学，而且其生物活性几乎不受影响。
