石墨烯具有独特的结构以及优异的理化性质，在能量的储存与转化领域具有广阔的应用前景。目前石墨烯在储能领域实现工程化应用的主要瓶颈是其分散与宏量制备问题，主要研究方向为发展更高性能的储能材料。针对石墨烯在能量储存与转化领域中规模化应用的基本问题，本论文的主要研究成果是成功实现了石墨烯的高效与稳定分散；发展了一种高性能薄层石墨材料宏量制备方法，并比较研究了其储锂行为；在研究不同碳包覆形态对锂离子电池正极材料性能的影响基础上，制备出一种高性能层次碳包覆结构的正极材料；此外，作者还发展了一种石墨烯-碳纳米管杂化全碳催化材料，并对其氧还原作用机制进行了研究。在石墨烯分散方面，本研究实现了石墨烯在水溶液与有机溶剂中的高效稳定分散。作者的研究表明聚乙烯吡咯烷酮具有优异的石墨烯分散性能，利用聚乙烯吡咯烷酮得到的石墨烯分散液最高浓度可以达到1.3mg mL-1；作者还发现提高石墨烯与水溶液的浸润性可以提高石墨烯的分散效率。与此同时，作者发展了石墨烯部分包覆正极材料的方法，这种方法可以实现石墨烯在电极活性物质中的良好分散。另外，本研究制备的石墨烯-碳纳米管杂化材料是一种石墨烯宏观体，利用这种宏观体可以实现石墨烯在电极中的良好分散。在石墨烯规模化应用方面，作者在目前石墨烯宏量制备工艺不成熟的情况下，制备出一种具有优异电化学性质的薄层石墨材料，这种薄层石墨材料可以在某些领域作为石墨烯的低成本替代产品。另外，本文还针对石墨烯导电剂在规模化应用过程中的问题，研究了石墨烯对锂离子电池中离子传输过程的影响。在石墨烯基高性能电极材料制备及作用机制探究方面，本研究开发了薄层石墨这种高性能锂离子电池负极材料。作者通过对比不同层数的石墨与石墨烯的储锂行为，发现减少石墨中石墨烯片层数可以有效提高石墨的电化学储锂容量，有利于电化学过程中传质与传荷过程实现。本研究结果表明碳包覆需要均衡电化学反应过程中电子与离子的传输过程，提出理想的碳包覆应该在提升材料的电子导电性的同时兼顾锂离子的传输性能；作者在前期研究基础上制备出具有高能量密度、高功率密度的层次结构碳包覆磷酸亚铁锂。为了突破锂离子电池理论容量的限制，作者利用平面结构与卷曲结构的sp2杂化炭材料表面费米能级不匹配诱发的电荷在石墨烯与碳纳米管界面分离现象，开发出一种高性能全碳氧还原催化剂。这种全碳催化剂在氧还原反应中表现出近4电子转移过程，具有优异的循环性能，利用其组装的锂空气电池也表现出优异的电化学性能。