石墨烯作為一種由石墨制備的新型碳質材料，單層或者薄層石墨（2~10層的多層石墨烯）在化學電源里的應用潛力也備受關注。

石墨烯是單層碳原子，上下表面均可以存儲鋰電子，本身可以作為鋰電子電池負極材料；同時由于石墨烯的優異機械性能和導電性能，常用來與其他負極材料復合，以改善電極性能。

石墨烯基復合催化材料在鋰空氣電池中的應用

目前，用于鋰離子電池負極材料的石墨烯基復合材料的研究也有很多，重要有金屬、金屬氧化物和碳納米管等與石墨烯的復合，大大提高了鋰離子電池的電化學性能和循環性能。

金屬氧化物類催化劑不僅能物理負載于石墨烯片上，也可以通過化學方法原位直接生長在石墨烯基底上。而后者更加有利于催化性能的發揮。

原位生長通常采用GO作為前驅體，因帶負電的GO能夠與金屬陽離子發生較強的靜電相互用途，為其供應有效的吸附位點。通過后續的化學反應或者熱退火過程，將金屬離子轉變成金屬氧化物的同時把GO還原，獲得石墨烯金屬氧化物復合材料。

另外，研究發現雜原子摻雜能夠有效提高石墨烯的導電率，并可引入結構缺陷，因此雜原子摻雜石墨烯在鋰空氣電池中的應用也極具研究價值。

石墨烯為純碳空氣電極在鋰空氣電池中的應用

研究發現，石墨烯片層邊緣或其結構缺陷對OERs和析氫反應（HERs）也展現出優異的催化能力。同時由于其高比表面積，以及可以構筑三維多孔結構的特點，石墨烯具備成為高性能空氣電極的巨大潛力。

石墨烯為空氣電極時，放電后產物Li2O2或Li2O會沉積在石墨烯表面，阻止氧氣和電子的傳輸，而通過合適的孔結構設計可以有效加以防止。

研究發現，使用比表面積為342.6m2/g的石墨烯作為空氣電極，不僅以其多孔結構的特點提高了混合鋰空氣電池的放電容量，還因為在混合鋰空氣電池系統中出現的LiOH導致充電過程電勢降低；同時，石墨烯邊緣和缺陷的催化效果有效降低了過電勢。在使用石墨烯材料后，循環次數達到50次。