基于石墨烯的各項特殊理化性質(zhì)，石墨烯在電極材料研究領(lǐng)域開(kāi)發(fā)潛力巨大。按照應用領(lǐng)域的不同，石墨烯材料在鋰離子電池中的應用大體可分為三類(lèi)：石墨烯在正極材料中的應用、在負極材料中的應用和在鋰離子電池中的其他應用。
　　1.石墨烯在正極材料中的應用
　　對于鋰離子電池，可應用的正極材料應當滿(mǎn)足可逆容量大、電位高且穩定、無(wú)毒害、制作成本低等特點(diǎn)。目前較為常見(jiàn)的鋰離子電池正極材料多為磷酸鐵鋰材料，但LiFePO4的電導率差、鋰離子遷移率較低。若將LiFePO4材料與石墨烯復合，理論上可以改善其導電能力，提高倍率性能。
　　由于石墨烯材料的特殊性，在正極方面對石墨烯材料的研究相對較少。研究表明，用水熱法將石墨烯直接覆蓋在LiFePO4表面上制成復合材料的倍率性能提升效果并不理想，其原因可能是石墨烯材料結構的堆疊或破壞。
　　研究發(fā)現，石墨烯將LiFePO4半包裹后形成的材料可以提高LiFePO4材料的導電性能，但將其全包裹后離子傳輸效率下降，并推測可能是因為鋰離子無(wú)法通過(guò)石墨烯的六元環(huán)結構。有研究人員將LiFePO4納米顆粒與氧化石墨進(jìn)行超聲混合，制得了微觀(guān)結構更加工整的LiFePO4/石墨烯復合材料。該材料經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的常規碳包覆后嵌鋰比容量大大提升，可在60C高倍率條件下仍然維持在70mAh/g左右。
　　2.石墨烯在負極材料中的應用
　　鋰離子電池負極材料應當滿(mǎn)足氧化還原電位低且穩定、可逆容量大、可形成致密穩定SEI膜、對環(huán)境無(wú)毒害、制作成本低等條件。相對于正極材料，石墨烯在負極材料中的應用研究更加廣泛深入。
　　石墨烯直接作為負極材料
　　石墨烯具有良好的導電性能，但其二維微觀(guān)結構的易相互堆疊導致對石墨烯獨立電極材料的研究并不理想。主要表現為電池的倍率性能差、循環(huán)效率低等方面。Honma等制得的石墨烯可逆比容量在首次循環(huán)（50mA/g電流密度）中可以達到540mAh/g，但在多次循環(huán)后可逆比容量下降較快；而利用熱膨脹法獲得石墨烯在100mA/g電流密度首次循環(huán)時(shí)可以達到較高可逆比容量（1264mAh/g），且在40次循環(huán)后仍可保持較高的可逆比容量。
　　石墨烯復合負極材料
　　目前石墨烯負極復合材料主要有：過(guò)渡金屬氧化物/石墨烯復合材料和石墨烯改性硅基材料等。這一類(lèi)復合材料的研究方向是利用石墨烯材料的導電性能和結構特點(diǎn)輔助納米材料，改善其鋰離子傳輸速率，從而提高鋰離子電池的倍率性能，彌補原材料的缺陷和不足。
　　Si元素可用于鋰離子電池形成充電比容量極高的Li4.4Si，其放電電壓穩定、自然儲量豐富的特點(diǎn)使其擁有極大的發(fā)展前景；但其在充放電過(guò)程中的體積變化嚴重，導致電池的循環(huán)效率較低。若用納米碳材料對Li4.4Si材料進(jìn)行適當的包裹，則可減緩這種體積效應帶來(lái)的影響。Yushin等利用CVD法將Si膜形成在石墨烯材料的表面，并用丙烯在高溫條件下進(jìn)行了碳包覆以增強其導電性，制得了一種Si/(G+C)復合材料，有效地實(shí)現了對鋰-硅材料充放電過(guò)程中體積效應的改善，增強了電池循環(huán)性能。但是這類(lèi)材料的制備成本較高，材料也具有易燃的性質(zhì)，在安全方面具有一定的問(wèn)題，但可以看作是石墨烯復合材料改善原材料缺陷的典例之一。
　　過(guò)渡金屬氧化物在金屬元素不同氧化態(tài)之間的轉化過(guò)程中具有十分可觀(guān)的理論容量，但其獨立材料存在體積效應大、電子傳輸速率低等問(wèn)題。如果將金屬氧化物的納米材料附著(zhù)于石墨烯表面，則可以防止顆粒之間的團聚，同時(shí)充分發(fā)揮石墨烯材料的比表面積優(yōu)勢和過(guò)渡金屬氧化物的高容量?jì)?yōu)勢，提高鋰離子的傳輸速率。
　　3.石墨烯在鋰離子電池中的其他應用
　　鑒于其優(yōu)異的導電性能，石墨烯材料可以作為導電添加劑優(yōu)化電池的電導率。Han等將石墨烯材料加入Si納米材料中，其改性效果優(yōu)于一般的導電添加劑如天然石墨等。其首次循環(huán)可逆比容量高達2347mAh/g，循環(huán)20次后仍可達2041mAh/g；Song等將石墨烯作為導電添加劑加入到石墨材料當中，優(yōu)化了石墨材料的導電性能。其機理是石墨烯材料以層狀結構搭建在石墨之間，類(lèi)似于構建起電子通過(guò)的“橋梁”。這種材料與石墨接觸面積大，避免在多次循環(huán)后類(lèi)似乙炔黑顆粒的體積變化、與石墨材料接觸面積減小而導致的性能下降。
　　此外，石墨烯由于其出色的力學(xué)強度和韌性在制備可變形性強的鋰離子電池方面也發(fā)揮了獨特作用。He等將對苯二甲酸乙二酯表面涂上石墨烯薄膜形成的復合材料具有可觀(guān)的柔性，并且減小了材料的密度，優(yōu)化了其性能；Cheng等則將石墨烯材料真空抽濾附著(zhù)在濾紙表面，制得了力學(xué)性質(zhì)和導電性能都較為優(yōu)越的石墨烯/纖維素復合材料。