石墨烯擁有許多一般材料所不具備的優異特性。將石墨烯應用于復合材料，可以開發出許多性能優良新型功能材料，其中最具產業化應用前景的是石墨烯儲能復合材料。

提升鋰電池整體性能的關鍵是開發新的電極材料。石墨烯加入到鋰離子電池中能夠大幅提高其導電性。石墨烯鋰離子電池解決了能量密度和功率密度兩者的要求，是石墨烯最有可能實現產業化應用的方向之一。石墨烯在鋰離子電池中的應用主要包括3個方面：一是石墨烯復合電極材料，包括正極和負極；二是石墨烯作為鋰離子電池的導電添加劑；三是石墨烯功能涂層。石墨烯優異的導電性能可以提高鋰離子電池的充放電速度，并增強與集流體間的導電接觸。

研究表明，通過向鋰離子充電電池的電極中添加少量石墨烯，不僅可以保持原來的能量密度，還能大幅度提高輸出功率密度。石墨烯包覆磷酸鐵鋰作為鋰離子電池正極材料，已多見報道。石墨烯構建包覆磷酸鐵鋰納米顆粒的高效三維導電網絡，顯著提高了磷酸鐵鋰正極材料的電化學性能，已在寧波艾能鋰電材料公司建成相關中試線。此外，采用石墨烯涂層鋁箔作為鋰離子電池的集流體，代替傳統炭黑涂層，在不影響電池容量的前提下，可以降低并穩定電池內阻，同時還能提高電池的散熱能力，延長電池壽命。據報道，年產200萬m2的石墨烯涂層鋁箔中試線已經在寧波墨西新材料有限公司建成。

石墨烯在超級電容器中也有巨大的市場空間。石墨烯具有極高的比表面積，石墨烯片層的兩邊均可以富集電荷形成雙電層，此外石墨烯皺褶及疊加效果，可以形成納米孔道和納米空穴，有利于電解液的擴散，所以石墨烯基超級電容器具有良好的功率特性。石墨烯作為電極制成的超級電容器在性能上有極大的提高。

美國某公司研制的石墨烯基超級電容器，在室溫下可以達到85.6Wh/kg的能量密度，相當于鎳氫電池的能量密度，充放電僅需要幾分鐘，甚至幾秒鐘。這意味新一代的超級電容器作為儲能器件逐步取代具有環境污染的鉛酸電池和具有安全隱患的鋰離子電池成為了可能，并在儲能和動力電池領域帶來重大進步。

據報道，韓國成功研制出大容量、可撓式蓄電池超級電容器。該超級電容器的成功研制是基于石墨烯的應用，它有望在電動汽車和智能電網等領域予以采用。研究小組發現氮摻雜石墨烯后，電解液與離子能夠更好地相結合。這種具有可撓性的石墨烯蓄電池，可用于制作攜帶在衣服或身上的蓄電產品。

另據報道，美國加州大學的研究人員利用DVD刻錄機發明出微型超級電容器。其原理是光盤上的氧化石墨烯被激光照射后還原并剝離，變成多層石墨烯片重疊的狀態，從光盤上剝離下來后便可使用于電容器或充電電池。