LiTFSI(双三氟甲烷磺酰亚胺锂)是一种具有优异溶解性的锂盐,这主要得益于其庞大的、电荷高度离域的阴离子(TFSI⁻),它有效地屏蔽了锂离子的电荷,降低了晶格能,并减少了与溶剂分子的强配位作用。
因此,LiTFSI 在多种极性和非质子性有机溶剂中都具有良好的溶解性,尤其是在那些常用于电池电解液的溶剂中。以下是一些常见类别和具体例子:
1.碳酸酯类 (Carbonates) - 锂离子电池最常用溶剂:
碳酸乙烯酯 (Ethylene Carbonate, EC)
碳酸丙烯酯 (Propylene Carbonate, PC)
碳酸二甲酯 (Dimethyl Carbonate, DMC)
碳酸二乙酯 (Diethyl Carbonate, DEC)
碳酸甲乙酯 (Ethyl Methyl Carbonate, EMC)
溶解性: 在这些溶剂中溶解性非常好,通常可以达到数 mol/L 的浓度,是构成锂离子电池电解液的基础溶剂。
2.醚类 (Ethers) - 常用于锂金属电池、锂硫电池:
1,2-二甲氧基乙烷 / 甘醇二甲醚 (1,2-Dimethoxyethane, DME, Monoglyme)
二乙二醇二甲醚 (Diglyme)
三乙二醇二甲醚 (Triglyme)
四乙二醇二甲醚 (Tetraglyme)
四氢呋喃 (Tetrahydrofuran, THF)
2-甲基四氢呋喃 (2-Methyltetrahydrofuran, 2-MeTHF)
溶解性: 在醚类溶剂中溶解性也非常好,尤其是链状醚(DME, Diglyme 等)和环状醚(THF)。常与碳酸酯或氟代醚混合用于特定电池体系。
3.腈类 (Nitriles):
乙腈 (Acetonitrile, ACN, MeCN)
丙腈 (Propionitrile, PN)
丁二腈 / 琥珀腈 (Succinonitrile, SN)
己二腈 (Adiponitrile, ADN)
溶解性: 在乙腈中溶解性极佳。其他腈类(尤其是丁二腈)也表现出良好的溶解性,常作为添加剂或共溶剂用于改善电解液性能(如宽温域、阻燃)。
4.砜类 (Sulfones):
环丁砜 (Sulfolane)
二甲砜 (Dimethyl Sulfone, DMSO2)
溶解性: 在砜类溶剂中溶解性好。环丁砜因其高介电常数、高沸点和良好的热/化学稳定性而被研究用于高温或高电压电池电解液。
5.酰胺类 (Amides):
N, N-二甲基甲酰胺 (Dimethylformamide, DMF)
N, N-二甲基乙酰胺 (Dimethylacetamide, DMAc)
N-甲基吡咯烷酮 (N-Methyl-2-pyrrolidone, NMP)
溶解性: 在这些高极性非质子溶剂中溶解性非常好。但由于它们通常具有较高的还原性(易在负极分解)和较低的氧化稳定性,在商业锂离子电池电解液中很少直接使用,更多用于实验室研究或作为加工溶剂。
6.离子液体 (Ionic Liquids):
各种基于咪唑鎓、吡咯烷鎓、哌啶鎓、季铵盐等阳离子和 TFSI⁻、FSI⁻、BF₄⁻、PF₆⁻ 等阴离子的离子液体。
溶解性: LiTFSI 在与其阴离子相同的离子液体(如 EMIM-TFSI, Pyr13-TFSI)中通常具有良好的溶解性,常作为添加剂或主要电解质用于高安全性和高稳定性电池。
7.氟代醚/氟代酯 (Fluorinated Ethers/Esters):
如双(2,2,2-三氟乙基)醚 (BTFE)、1,1,2,2-四氟乙基-2,2,3,3-四氟丙基醚 (TTE) 等。
溶解性: 在纯的氟代溶剂中溶解性可能有限,但它们极其重要。它们通常以较大比例(甚至作为主要溶剂)与碳酸酯(如 FEC)或腈类(如 AN)混合使用,形成高度氟化的局部高浓度电解液或弱溶剂化电解液,用于改善锂金属负极稳定性、高电压正极兼容性或阻燃性。LiTFSI 在这些混合溶剂体系中溶解性良好。
溶解性较差或不溶的溶剂
强质子性溶剂 (Strong Protic Solvents): 如甲醇、乙醇、水(虽然 LiTFSI 在水中溶解性很好,但水是强质子溶剂且会分解电池,故严格来说不属于这里讨论的“有机溶剂”范畴)。LiTFSI 在醇类中溶解性尚可,但形成的溶液通常不适用于电池(会分解)。
非极性或低极性溶剂 (Nonpolar or Low Polarity Solvents): 如甲苯、己烷、二氯甲烷、氯仿、二乙醚等。在这些溶剂中溶解性非常差或几乎不溶。乙醚是个例外,LiTFSI 在其中溶解度较低但并非完全不溶。