放射性同位素电池的热源是放射性同位素。它们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。

这种很大的能量有两个特点。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，核电池以抗干扰性强和工作准确可靠而著称。另一个特点是蜕变时间很长，这决定了放射性同位素电池可长期使用。放射性同位素电池采用的放射性同位素来主要有锶－90（Sr－90，半衰期为28年）、钚－238（Pu－238，半衰期89.6年）、钋－210（Po-210半衰期为138.4天）等长半衰期的同位素。将它制成圆柱形电池。燃料放在电池中心，周围用热电元件包覆，放射性同位素发射高能量的α射线，在热电元件中将热量转化成电流。

放射性同位素电池的核心是换能器，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。在外形上，放射性同位素电池虽有多种形状，但最外部分都由合金制成，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；第三层就是换能器了，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。

放射性同位素电池在美、俄等国已实际应用，用于航天器的能源供应、海事活动及医学等。

在深海里，太阳能电池根本派不上用场，燃料电池和其他化学电池的使用寿命又太短，所以只能使用放射性同位素电池。例如，现在已用它作海底潜艇导航信标，能保证航标每隔几秒钟闪光一次，几十年内可以不换电池。人们还将核电池用作水下监听器的电源，用来监听敌方潜水艇的活动。还有的将放射性同位素电池用作海底电缆的中继站电源，它既能耐五六千米深海的高压，又少花费成本。

在医学上，放射性同位素电池已用于心脏起搏器和人工心脏。它们的能源要求精细可靠，以便能放入患者胸腔内长期使用。植入人体内的微型放射性同位素电池以钽铂合金作外壳，内装150毫克钚238，整个电池只有160克重，体积仅18立方毫米。它可以连续使用10年以上。

1969 年7月21日，在使人类第一次成功地登上月球阿波罗11号飞船上，安装了两个放射性同位素装置，其热功率为15瓦，用的燃料为钚 －238。该装置叫做ALRH（Apolo Lunar RI Heater）装置，意思是阿波罗在月球上用的放射性同位素发热器。

在后来发射的用于探索月面的阿波罗宇宙飞船 上，安装的放射性同位素装置全是SNAP－27A装置。它用的燃料是钚－238，设计的电输出功率为63.5瓦，整个装置重量为31千克，设计寿命为一年。

与此同时，处于背阳的月面，其温度会急剧下降好几百度，从酷热一下变成了严寒的世界。为了使卫星上的地震仪 、磁场仪以及其它机械能正常工作，必须利用余热进行保温。

在阿波罗12号飞船上首次装载的放射性同位素电池——SNAP－27A装置，其寿命远远超过设计时考虑的一年，并能连续供给70瓦以上的电力 。由于这一实验获得成功，后来在1970年发射的阿波罗14号以及随后的阿彼罗15号、16号、17号等飞船上都相继安装了SNAP－27A装置。

2012年8月6日，降落火星的美国好奇号火星车就使用了这种“核电池”，他可以为好奇号持续供电14年。

放射性同位素电池简称同位素电池（Nuclear battery 或Atomic battery)，又被叫做放射性同位素温差发电器或核电池，这种电池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）串联起来组成的。另外还得有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。