Правильно: пол-лимона (через дефис).
Коротко правила (приставка «пол-», значение «половина»):
1) Через дефис пишется, если следующее слово начинается с гласной буквы или с буквы «л»: например, «пол-апельсина», «пол-лимона».
2) Слитно пишется, если следующее слово начинается с согласной буквы, кроме «л»: например, «полгода», «полстакана», «полкилометра».
3) Слитно также устойчивое числительное «полтора/полторы» (это самостоятельные слова).
4) Дополнительно: дефис сохраняется при соединении с собственными именами или заглавной буквы (по тем же нормам читабельности).
Морфологически: «пол-» — приставка; написание через дефис — орфографическое требование для удобства чтения и чтобы избежать удвоенного «л» (в «поллимона» получилось бы «лл»), поэтому «поллимона» — ошибка. При равенстве смысла: «пол-лимона = $\frac{1}{2}$ лимона».