石墨烯在锂离子电池中可用作活性材料和非活性材料。Dahn提出可通过石墨烯表面蜂窝状空穴存储锂离子，其理论容量为石墨的两倍，理论上石墨烯可作为储锂活性材料使用。石墨烯也可作为导电性碳基非活性材料，用于在整个电池中构建更完善的电子传输网络，提高电化学转化效率，按电池结构可划分为三类应用：1.石墨烯改性电极，在钴酸锂、锰酸锂和磷酸铁锂等活性材料中，通过少量添加石墨烯构建良好的导电网络，包含导电添加剂和包覆改性两种技术路径；2.石墨烯复合集流体，通过石墨烯搭建电极和集流体之间的导电通路，降低材料间的界面接触电阻从而减少电池内部阻抗；3.电解质添加剂，通过石墨烯表面修饰，改善电解液内部载流子的迁移以及与活性材料的界面接触，提高固体电解质界面膜的稳定性。