Wang等为了定向控制纳米颗粒在石墨烯表面的排布，利用三元自组装技术，以石墨烯为基底，表面活性剂作为分子模板，构造指定的金属氧化物/石墨烯复合材料，获得了稳定的、有序交替堆叠的纳米金属氧化物与石墨烯的复合材料，如图5所示。
这种方法获得的SnO2与石墨烯的复合电极能达到760mA˙h/g，接近理论能量密度，且在120个循环后基本没有容量损失。
Wang等结合水热合成的两步法将Mn3O4与石墨烯有效复合，所得的复合材料在低电流密度下（40mA/g）脱Li比容量约为900mA˙h/g，接近理论容量936mA˙h/g，并且材料的高倍率性能好，电流密度达到1600mA/g时，比容量仍保持在390mA˙h/g左右。以多孔MgO为模板，Fan等利用CVD的方法合成出多孔石墨烯。此材料Raman峰强度比ID/IG明显大于其它已知的大部分石墨烯材料，具有高度无序结构，所以该复合材料作为锂离子电池负极材料具有较高的可逆容量及较好的倍率特性。
为了改善Fe3O4的循环性能，Wei等利用石墨烯与Fe3O4纳米微球交联在一起形成3D石墨烯泡沫结构，把Fe3O4用石墨烯片包裹起来抑制其在充放电过程中的体积形变。85次循环后容量达到1060mA˙h/g，在150个循环后容量仍保持在1059mA˙h/g。
Sn基、Si基和过渡金属类负极材料与石墨烯的复合材料已得到广泛深入研究。制备方法也由最初的简单机械混合发展到能很好地控制材料微观形貌结构的原位反应、界面反应等方法。但为了能够满足在实际运用中对电池循环寿命、快速大电流充放电、高比容量等的需求，研究出能获得微观形貌良好可控的复合材料的简便制备方法，是石墨烯在锂离子电池中进一步应用的关键。
就锂离子电池体系而言，正极材料的导电性是限制电池性能的重要因素。许多正极材料的实际容量远低于理论容量，特别是在大电流充放电时其比容量迅速下降。加入电子导电性强的石墨烯，减少了电极活性材料与电解质之间的界面电阻，有利于Li+传导；同时，石墨烯片层包覆在电极材料表面抑制了金属氧化物的溶解和相变，保持了充放电过程中电极材料的结构稳定。因此将石墨烯引入到正极材料中作为正极集流体的涂覆层以及正极的导电添加剂，既保证了电极材料高的活性表面积，又可提高电极的导电性，从而有效改善倍率性能，具有很好的应用前景。
