石墨烯拥有许多一般材料所不具备的优异特性。将石墨烯应用于复合材料，可以开发出许多性能优良新型功能材料，其中最具产业化应用前景的是石墨烯储能复合材料。
提升锂电池整体性能的关键是开发新的电极材料。石墨烯加入到锂离子电池中能够大幅提高其导电性。石墨烯锂离子电池解决了能量密度和功率密度两者的要求，是石墨烯最有可能实现产业化应用的方向之一。石墨烯在锂离子电池中的应用主要包括3个方面：一是石墨烯复合电极材料，包括正极和负极；二是石墨烯作为锂离子电池的导电添加剂；三是石墨烯功能涂层。石墨烯优异的导电性能可以提高锂离子电池的充放电速度，并增强与集流体间的导电接触。
研究表明，通过向锂离子充电电池的电极中添加少量石墨烯，不仅可以保持原来的能量密度，还能大幅度提高输出功率密度。石墨烯包覆磷酸铁锂作为锂离子电池正极材料，已多见报道。石墨烯构建包覆磷酸铁锂纳米颗粒的高效三维导电网络，显著提高了磷酸铁锂正极材料的电化学性能，已在宁波艾能锂电材料公司建成相关中试线。此外，采用石墨烯涂层铝箔作为锂离子电池的集流体，代替传统炭黑涂层，在不影响电池容量的前提下，可以降低并稳定电池内阻，同时还能提高电池的散热能力，延长电池寿命。据报道，年产200万m2的石墨烯涂层铝箔中试线已经在宁波墨西新材料有限公司建成。
石墨烯在超级电容器中也有巨大的市场空间。石墨烯具有极高的比表面积，石墨烯片层的两边均可以富集电荷形成双电层，此外石墨烯皱褶及叠加效果，可以形成纳米孔道和纳米空穴，有利于电解液的扩散，所以石墨烯基超级电容器具有良好的功率特性。石墨烯作为电极制成的超级电容器在性能上有极大的提高。
美国某公司研制的石墨烯基超级电容器，在室温下可以达到85.6Wh/kg的能量密度，相当于镍氢电池的能量密度，充放电仅需要几分钟，甚至几秒钟。这意味新一代的超级电容器作为储能器件逐步取代具有环境污染的铅酸电池和具有安全隐患的锂离子电池成为了可能，并在储能和动力电池领域带来重大进步。
据报道，韩国成功研制出大容量、可挠式蓄电池超级电容器。该超级电容器的成功研制是基于石墨烯的应用，它有望在电动汽车和智能电网等领域予以采用。研究小组发现氮掺杂石墨烯后，电解液与离子能够更好地相结合。这种具有可挠性的石墨烯蓄电池，可用于制作携带在衣服或身上的蓄电产品。
另据报道，美国加州大学的研究人员利用DVD刻录机发明出微型超级电容器。其原理是光盘上的氧化石墨烯被激光照射后还原并剥离，变成多层石墨烯片重叠的状态，从光盘上剥离下来后便可使用于电容器或充电电池。
