鋰離子電池方面。鋰離子電池通過鋰離子在正負兩極之間的移動來進行工作，因此電池正極材料的導電性能則會密切關系到鋰離子電池的能量密度和功率性能。實際上，大部分電極材料的比容量都與理論上可達到的比容量相距甚遠，尤其是在大電流充放電時，電極材料的比容量會大幅下降。石墨烯材料因具備優異的電子導電性，被應用到鋰電子電池的研究中。石墨烯層應用于電池的正極材料中，不僅可以減少電池的界面電阻，便于鋰離子在電池的正負兩極間傳導，還有助于減慢金屬氧化物溶解相變的速度，從而保證鋰電池的電極在電循環周期中保持結構。有科學家采用三元共組裝法，將氧化錫與石墨烯整合在一起，與表面活性劑多元協同，制備出三元有序納米復合材料（見圖1），該材料用于電極的比容量可達到760 mA•h/g，且該材料是一種良好的緩沖材料，利于提高鋰離子電池電極材料的循環穩定性。
鋰-空氣電池方面。鋰-空氣電池作為理想的高比能量化學電源，成為近年來的研究熱點。目前，石墨烯在鋰-空氣電池研究應用中，顯示出突出的優越性，其不僅可以構成電池的正極材料，更表現出可觀的催化活性。在鋰-空氣電池中，石墨烯作為催化劑或催化劑基底展示出其潛在的優勢，可以提高催化效率，并且不斷提高鋰-空氣電池的循環性能，其比表面積巨大以及多孔體系的特性提升了鋰-空氣電池的放電容量。科學家在電解質為烷基碳酸酯的鋰空氣電池中，將石墨納米片（NGS）作為陰極催化劑，證明了與Vulcan XC-72碳電極相比，NGS電極的循環性能更好、過電位更低。有科學家制備出一種空氣電極為石墨烯泡沫的鋰空氣電池，實驗表明在鋰-空氣電池中電流循環20 次的情況下，其循環效率只損失了20%，并且其放電電壓穩定在2.8V。
電化學分析
石墨烯在電化學分析中主要應用在基于目標分子直接電化學的分析檢測和用作生物電分析中的載體材料和基于石墨烯的光透電極等方面。
目標分子直接電化學分析。基于目標分子直接電化學分析檢測的目標物包括：無機小分子，有機小分子，以及氧化還原蛋白質和核酸等生物大分子，如DNA 和血紅蛋白等。石墨烯上可吸附蛋白質的特性使得石墨烯是研究蛋白質電子轉移的理想材料。如有學者以化學還原的石墨烯氧化物修飾的玻璃碳電極（CR-GO/GC）作為新的電極體系，提出了電化學傳感和生物傳感的新型實驗平臺。另一些人研究了石墨烯氧化物（GO）修飾電極上細胞色素C、肌紅蛋白和辣根過氧化物酶（HRP）等3種金屬蛋白的直接電化學行為，發現GO可促進其電子轉移動力學，而且其生物活性幾乎不受影響。
