石墨烯是一種由碳六元環形成的新型碳材料,具有很多優異的性能，如大比表面（約2600m2/g）、高導熱係數（約5300Wm-1K-1）、高電子導電性（電子遷移率為15000cm2V-1s-1)和良好的機械性能，被作為鋰電池負極材料而備受關注。
從第一性原理出發,研究了石墨嵌鋰後的幾何構型和嵌鋰石墨的電壓平臺。計算表明,鋰嵌入石墨中合適的六元環中心位置時,只引起石墨層間距的整體變化,而不引起石墨原子層內變化,保留了石墨的優良性能,該結構模型能很好地類比真實的結構。化學家計算了一階和二階嵌鋰石墨的電壓平臺,它們分別為0.081V和0.138V,這與0.085V和0.100V的實驗值符合得比較好。
而石墨烯直接作為鋰離子電池負極材料時，研究者採用水合肼(N2H4•H2O)作為還原劑、製備了叢林形貌的石墨烯片，其兼具硬碳和軟碳特性，且在高於0.5V電壓區間，表現出電容器的特性。石墨烯負極材料在1C放電倍率下,首次可逆容量為650mAh/g，100次充放電迴圈後容量仍可達到460mAh/g。
石墨烯還可作為導電劑，與其他負極材料複合，提高負極材料的電化學性能。如Zai等採用超聲分散法製備了Fe3O4/石墨烯複合材料，在200mA/g的電流密度下放電，經過50次迴圈後，容量為1235mAh/g；在5000和10000mA/g電流密度下放電，經過700次迴圈後，容量分別能達到450mAh/g和315mAh/g，表現出較高的容量和良好的迴圈性能。
石墨烯具有較大比表面積、高的導電性、化學穩定性等優點，在新型鋰離子電池中具有潛在的應用。
