石墨烯作为一种由石墨制备的新型碳质材料，单层或者薄层石墨（2~10层的多层石墨烯）在化学电源里的应用潜力也备受关注。
石墨烯是单层碳原子，上下表面均可以存储锂电子，本身可以作为锂电子电池负极材料；同时由于石墨烯的优异机械性能和导电性能，常用来与其他负极材料复合，以改善电极性能。
石墨烯基复合催化材料在锂空气电池中的应用
目前，用于锂离子电池负极材料的石墨烯基复合材料的研究也有很多，重要有金属、金属氧化物和碳纳米管等与石墨烯的复合，大大提高了锂离子电池的电化学性能和循环性能。
金属氧化物类催化剂不仅能物理负载于石墨烯片上，也可以通过化学方法原位直接生长在石墨烯基底上。而后者更加有利于催化性能的发挥。
原位生长通常采用GO作为前驱体，因带负电的GO能够与金属阳离子发生较强的静电相互用途，为其供应有效的吸附位点。通过后续的化学反应或者热退火过程，将金属离子转变成金属氧化物的同时把GO还原，获得石墨烯金属氧化物复合材料。
另外，研究发现杂原子掺杂能够有效提高石墨烯的导电率，并可引入结构缺陷，因此杂原子掺杂石墨烯在锂空气电池中的应用也极具研究价值。
石墨烯为纯碳空气电极在锂空气电池中的应用
研究发现，石墨烯片层边缘或其结构缺陷对OERs和析氢反应（HERs）也展现出优异的催化能力。同时由于其高比表面积，以及可以构筑三维多孔结构的特点，石墨烯具备成为高性能空气电极的巨大潜力。
石墨烯为空气电极时，放电后产物Li2O2或Li2O会沉积在石墨烯表面，阻止氧气和电子的传输，而通过合适的孔结构设计可以有效加以防止。
研究发现，使用比表面积为342.6m2/g的石墨烯作为空气电极，不仅以其多孔结构的特点提高了混合锂空气电池的放电容量，还因为在混合锂空气电池系统中出现的LiOH导致充电过程电势降低；同时，石墨烯边缘和缺陷的催化效果有效降低了过电势。在使用石墨烯材料后，循环次数达到50次。
