双三氟甲磺酰亚胺锂（LiTFSI）可以溶于水，但在室温下溶解度相对较低，大约在 1.0 - 1.5 mol/L 左右。这主要是由于其庞大的、疏水性强的 TFSI⁻ 阴离子限制了其水合作用。它主要应用于非水有机溶剂电解液中，在那里表现出优异的溶解度和性能。
正常情况下， LiTFSI 确实能溶解在水中形成溶液。它不是完全不溶的。 在室温（25°C）下，其溶解度大约在 1.0 - 1.5 mol/L (摩尔/升) 或 约 28 - 42 wt% (重量百分比) 范围内。这个数值会随温度升高而增加。
原因也很简单，TFSI⁻ 阴离子（(CF₃SO₂)₂N⁻）非常大，并且其外围被六个强疏水的氟原子（来自两个 -CF₃ 基团）包围。这大大降低了阴离子与水分子形成有利相互作用（如水合作用）的能力，是限制溶解度的主要因素。Li⁺离子很小，具有较高的电荷密度，与水分子有很强的相互作用（水合作用），这部分有利于溶解。
与 LiTFSI 相比，LiCl的溶解度极高（> 20 mol/L）。LiPF₆ 虽然也用于有机电解液，但它在水中会剧烈水解，溶解度本身不是主要问题。LiOTf (三氟甲磺酸锂, LiCF₃SO₃)的阴离子较小（只有一个 -CF₃），溶解度显著高于 LiTFSI（> 4 mol/L）。
LiTFSI 最主要的应用是在非水有机电解液（如锂离子电池、超级电容器）中。在这些体系中，它通常具有极高的溶解度和优异的导电性，并且在许多有机溶剂中表现出良好的电化学稳定性。其在水中的较低溶解度限制了它作为水系电解质主盐的应用，不过有时会在特定研究或应用中少量使用。
