核電池在蛻變過程中會不斷以具有熱能的射線的形式，向外放出比一般物質大得多的能量。
這個過程有兩個特點：一是蛻變時放出的能量大小、速度，不受外界環境中的溫度、化學反應、壓力、電磁場的影響，因此，核電池抗干擾性強，工作準確可靠；另一個特點是蛻變時間很長，這決定了核電池可長期使用。
核電池可分為高電壓型和低電壓型兩種類型。高壓型核電池利用發射源發射的帶點粒子產生的電勢差產生電流，雖然這種核電池的電壓可以高達150千伏，但電流最大只有10A。低壓型核電池的電壓則很低，只有幾十mV至1V。比如溫差式核電池是屬于低電壓型核電池，目前，低電壓型核電池使用的更為廣泛。
溫差核電池也被叫做“放射性同位素溫差發電器”，它是同位素放射出的載能粒子直接轉變為電能的裝置，是由一些性能優異的半導體材料，如碲化鉍、碲化鉛、鍺硅合金和硒族化合物等，把許多材料串聯起來組成，再加上一個合適的熱源和換能器，在熱源和換能器之間形成溫差才可發電。
溫差發電的原理是熱電轉換效應，該效應于1821年由德國科學家塞貝克發現，因此也被稱為塞貝克效應——由兩種材料組成的回路，當接點溫度不同時，電路中會產生電流。
那塞貝克效應的原因還在呢？
熱端金屬中的自由電子的平均動能是高于冷端的，因此，相對于冷端的自由電子流向熱端的速度，熱端的自由電子會以更高的速度流向冷端，從而產生從熱端流向冷端的凈電子流，導致冷端的電子積累，進而產生內建電場，阻礙電子進一步積累，并最終達到平衡狀態。
核電池的核心是換能器。目前常用的換能器叫靜態熱電換能器，它利用熱電偶的原理在不同的金屬中產生電位差，從而發電。它的優點是可以做得很小。在外形上，核電池雖有多種形狀，但最外面部分大都由合金制成，起保護電池和散熱的作用；次外層是輻射屏蔽層，防止輻射線泄漏出來；第三層是換能器，在這里熱能被轉換成電能；最后是電池的心臟部分，放射性同位素原子在這里不斷地發生蛻變并放出熱量。
大型的核電池，主要用于軍事、工業、深海設施和航天。在軍事上，核電池已經為一些裝備提供能源，比如海下聲納、水下監聽器的電源。在航天領域，陽光太弱、宇宙射線過強會導致太陽電池失效，只有核電池能長期可靠的工作。在工業上，核電池可以在終年積雪的高山、遙遠荒涼的孤島、荒無人煙的沙漠等地區使用。在深海設施方面，如各種海下科學儀器與海底油井閥門的開關和海底電纜中繼器等，核電池不僅能耐5~6km深海的高壓，安全可靠地工作，而且可以幾十年不跟換。不過，無論是高壓型核電池還是低壓型核電池，都存在問題，前者電流偏小，后者電壓偏小，都只能在特定的一些場景應用，做不到普適性。加上成本、安全等方面的問題，短時間根本不可能大規模民用化。
個別廠商炒作核電池，或者用核電池給新能源汽車背書，則是類似“納米”、“石墨烯”、“量子”的又一次炒作。
誠然，100年后，如果解決了安全、能源轉換效率和成本等方面的問題，那核電池微型化將不再是夢想。而當微型核電池技術成熟是，從充滿科幻色彩的單兵動力盔甲，到日常生活中飽受電池續航力差困擾的手機，都將獲得充足的能源。
