石墨烯是近年来研究较多的一种新型材料，具有良好的导电性能和倍率性能，将其应用于锂离子电池负极材料中，可以大幅度提高负极材料的电容量和大倍率充放电性能。
纯石墨烯材料由于首次循环库仑效率低、充放电平台较高以及循环稳定性较差，并不能取代目前商用的碳材料直接作为锂离子电池负极材料使用。但石墨烯可以作为一种优异的基体材料在锂电池复合电极材料中发挥更大的作用。将石墨烯与天然石墨、碳纳米管、富勒烯等碳材料复合，能利用石墨烯的特殊片层结构，改善材料的力学性能和电子传输能力。同时，掺杂后的石墨烯片层间距增大，提供更多的储锂空间。
此外，石墨烯还可以用于改性其他非碳基负极材料。目前研究的锂离子电池非碳基负极材料主要有锡基、硅基以及过渡金属类为主的电极材料，这类材料具有高理论容量，但其缺点是在嵌锂/脱锂过程中体积膨胀收缩变化明显。石墨烯掺杂改性后的复合材料能改善这两种材料单独使用时的缺点。
其优势主要体现在以下几方面：1.石墨烯片层柔韧，可有效缓冲金属类电极材料的体积膨胀；2.石墨烯优异的导电性能可以增强金属电极材料的电子传输能力；3.石墨烯表面的活化核点能控制在其表面生长的金属氧化物颗粒保持在纳米尺寸，改善材料的倍率性能；4.复合材料的比容量相对于纯石墨烯有较大提高；5.金属或金属氧化物的纳米颗粒能保护石墨烯表层，防止电解质插入石墨烯片层导致电极材料剥落现象。
此外，石墨烯在锂电池正极材料改性及导电添加剂方面也有应用。石墨烯二维高比表面积的特殊结构以及其优异的电子传输能力，能有效改善正极材料的导电性能，提高锂离子的扩散传输能力。用石墨烯代替天然石墨、Super P、乙炔黑等常用的电极材料导电添加剂，都能得到不错的效果。
