核电池在蜕变过程中会不断以具有热能的射线的形式，向外放出比一般物质大得多的能量。
这个过程有两个特点：一是蜕变时放出的能量大小、速度，不受外界环境中的温度、化学反应、压力、电磁场的影响，因此，核电池抗干扰性强，工作准确可靠；另一个特点是蜕变时间很长，这决定了核电池可长期使用。
核电池可分为高电压型和低电压型两种类型。高压型核电池利用发射源发射的带点粒子产生的电势差产生电流，虽然这种核电池的电压可以高达150千伏，但电流最大只有10A。低压型核电池的电压则很低，只有几十mV至1V。比如温差式核电池是属于低电压型核电池，目前，低电压型核电池使用的更为广泛。
温差核电池也被叫做“放射性同位素温差发电器”，它是同位素放射出的载能粒子直接转变为电能的装置，是由一些性能优异的半导体材料，如碲化铋、碲化铅、锗硅合金和硒族化合物等，把许多材料串联起来组成，再加上一个合适的热源和换能器，在热源和换能器之间形成温差才可发电。
温差发电的原理是热电转换效应，该效应于1821年由德国科学家塞贝克发现，因此也被称为塞贝克效应——由两种材料组成的回路，当接点温度不同时，电路中会产生电流。
那塞贝克效应的原因还在呢？
热端金属中的自由电子的平均动能是高于冷端的，因此，相对于冷端的自由电子流向热端的速度，热端的自由电子会以更高的速度流向冷端，从而产生从热端流向冷端的净电子流，导致冷端的电子积累，进而产生内建电场，阻碍电子进一步积累，并最终达到平衡状态。
核电池的核心是换能器。目前常用的换能器叫静态热电换能器，它利用热电偶的原理在不同的金属中产生电位差，从而发电。它的优点是可以做得很小。在外形上，核电池虽有多种形状，但最外面部分大都由合金制成，起保护电池和散热的作用；次外层是辐射屏蔽层，防止辐射线泄漏出来；第三层是换能器，在这里热能被转换成电能；最后是电池的心脏部分，放射性同位素原子在这里不断地发生蜕变并放出热量。
大型的核电池，主要用于军事、工业、深海设施和航天。在军事上，核电池已经为一些装备提供能源，比如海下声纳、水下监听器的电源。在航天领域，阳光太弱、宇宙射线过强会导致太阳电池失效，只有核电池能长期可靠的工作。在工业上，核电池可以在终年积雪的高山、遥远荒凉的孤岛、荒无人烟的沙漠等地区使用。在深海设施方面，如各种海下科学仪器与海底油井阀门的开关和海底电缆中继器等，核电池不仅能耐5~6km深海的高压，安全可靠地工作，而且可以几十年不跟换。不过，无论是高压型核电池还是低压型核电池，都存在问题，前者电流偏小，后者电压偏小，都只能在特定的一些场景应用，做不到普适性。加上成本、安全等方面的问题，短时间根本不可能大规模民用化。
个别厂商炒作核电池，或者用核电池给新能源汽车背书，则是类似“纳米”、“石墨烯”、“量子”的又一次炒作。
诚然，100年后，如果解决了安全、能源转换效率和成本等方面的问题，那核电池微型化将不再是梦想。而当微型核电池技术成熟是，从充满科幻色彩的单兵动力盔甲，到日常生活中饱受电池续航力差困扰的手机，都将获得充足的能源。
